聚异丙基丙烯酰胺接枝改性胶原的体外纤维重组——调控与机制

The properties of collagen-based materials can be improved by the regulation of collagen structures via polymer grafted modification, which is important for the application of collagen. However, the lacking of fibrillogenesis and cell responsive properties is always the general defect of polymer grafted collagen. So, this research project focuses on the key science problem “fibrillogenesis of polymer grafted collagen”, and the PNIPAAm grafted collagen (PGC) is used as the research model. The fibrillogenesis of PGC would be realized by ‘molecular structure regulation’ and ‘natural collagen doping regulation’, respectively. Based on the collection and description of collagen structures, molecular behaviors and temperature responsive performances, the correlation between molecular structures of PGC and their fibrillogenesis behaviors and temperature responsive performances of modified products, and the intermolecular interaction between natural collagen and PGC would be established. The critical regulation factors for the fibrillogenesis of PGC would also be explored. Furthermore, the systematic analysis of structures and properties of fibrosis products (fibrils, hydrogel) obtained from those two strategies (‘molecular structure regulation’ and ‘natural collagen doping regulation’) would be carried out. This project would supply theoretical basis for the design of new polymer grafted collagen based materials.

聚合物接枝改性可以从分子构造层面实现对胶原材料性能的根本性改进和调控而具有重要应用价值。但是，由此带来的胶原分子固有纤维重组行为丧失和细胞生物响应能力减弱亦成为该领域的共性技术难题。基于此，项目聚焦于‘聚合物接枝改性胶原的纤维重组’这一科学问题，针对具有温敏性能的PNIPAAm接枝改性胶原，分别采用‘分子构造调控’和‘天然胶原掺杂调控’两种途径实现其纤维重组。在改性胶原构造、分子行为和温敏性能描述的基础上，运用数学建模方法，建立接枝改性胶原构造与纤维重组行为、产物温敏行为之间的关联机制，以及外环境因子干预下的天然胶原/改性胶原分子间相互作用行为机制，挖掘接枝改性胶原分子行为调控的关键性构造变量和环境因素。更进一步，系统开展接枝改性胶原纤维重组产物（从纤维到凝胶）结构与性能的多维度表征，呈现不同调控模式下其纤维重组产物结构和性能的差异化表现，为新颖胶原基材料的设计提供理论指针和思路。

本项目聚焦天然胶原的侧链接枝改性研究，首先开展侧链氨基接枝改性的方法学研究以及侧链接枝对改性胶原分子结构的影响研究；在此基础上，进一步解析分子构造和天然胶原“掺杂”方式对接枝改性胶原体外纤维重组的调控和机制；更进一步，系统开展接枝改性胶原纤维重组产物结构和性能的多维度表征，明确其纤维重组产物结构和性能的差异化表现。通过项目研究，一是建立了基于NHS活化末端羧基、酸酐官能团的胶原侧链接枝小分子化合物策略，以及基于“grafted from”方法的胶原侧链原位接枝聚合物策略，通过TNBS比色法、圆二色谱法、差示扫描量热法等明确了接枝密度、接枝分子种类、接枝分子链长等因素对改性胶原分子构造的影响规律；二是分别以丙烯酸接枝改性胶原、丁二酸酐接枝改性胶原为小分子接枝改性胶原模型，以聚异丙基丙烯酰胺接枝改性胶原为聚合物接枝改性胶原模型，解析了接枝密度、接枝分子种类、接枝分子链长、天然胶原“掺杂”等因素对改性胶原体外纤维重组行为的影响机制，通过浊度法、流变学方法揭示了接枝改性胶原体外纤维重组动力学行为特征，通过氯胺T比色法揭示了接枝改性胶原的纤维重组程度，明确了接枝改性胶原体外纤维重组的关键性影响因素和核心驱动力；三是运用扫描电子显微镜、透射电子显微镜、流变学方法、细胞培养实验等揭示了接枝改性胶原纤维重组产物（从纤维到凝胶）的结构和性能演变规律，并进一步阐释了接枝改性胶原纤维重组产物结构和性能之间的耦合关联机制。此外，还采用纳米金颗粒标记结合电镜观察的方法确证了天然胶原与接枝改性胶原“掺杂”纤维重组现象，并明确了功能性接枝分子对改性胶原特征性能（如亲水性、温敏性）的调控作用及机制。项目研究工作将对天然胶原保持本征三螺旋结构、固有纤维重组性能基础上的结构和功能改性具有指导价值，将进一步完善接枝改性胶原体外纤维重组的分子学理论，为新颖胶原基材料设计提供理论指针和思路。