膠原基生物材料的孔隙結構對其性能有顯著影響。孔隙結構可由交聯來調節，但少有研究關注交聯劑結構特性對膠原基質多孔性能的調控機制。四川大學輕工學院王亞楠教授與新西蘭皮革和制鞋研究協會（LASRA）Sujay Prabakar教授聯合團隊通過改變羧甲基纖維素鈉的取代度，制備了一系列尺寸相似但醛基含量不同的雙醛羧甲基纖維素鈉（DCMC），并將其用于膠原基質的交聯，實現了對膠原基生物材料孔隙結構的有效調控（圖1）。該工作以“Effect of dialdehyde carboxymethyl cellulose crosslinking on the porous structure of collagen matrix”為題發表在Biomacromolecules上，博士研究生易玉丹為第一作者，王亞楠教授及Sujay Prabakar教授為通訊作者。
圖1. DCMC交聯對膠原基生物材料孔隙結構的可控調節
雙醛多糖因其高反應性、低細胞毒性和優異的生物相容性，可被用作膠原基生物材料的綠色交聯劑。現有研究重點關注交聯后膠原基材料在生物醫學領域的應用性能，卻極少研究交聯劑結構對材料微觀結構和多孔性能的影響規律。事實上，膠原基材料的孔隙結構與其細胞粘附、增殖、遷移、透水汽及物質交換等性能密切相關。天然膠原基質（如皮膚）具有由三螺旋狀膠原分子、微原纖維、原纖維、纖維和纖維束等逐級自組裝而成的精巧多層級結構，這也賦予了其多級孔隙結構，而化學交聯能夠極大改變該結構（圖2）。
圖2. DCMC交聯前后膠原多層級結構的變化
基于此，作者以不同取代度（DS：0.7、0.9、1.2）的羧甲基纖維素鈉為原料，用高碘酸鈉氧化法制備了一系列尺寸相似但醛基含量不同的DCMC交聯劑，并將其用于膠原基質的交聯。隨著DS的降低，DCMC的醛基含量增加，其與膠原基質的交聯程度（包括共價交聯及非共價交聯）提高，原纖維D周期減小（圖3）。同時，膠原基質的總孔隙率（圖4）、孔容和Φ > 10 μm的大孔占比（圖5）也顯著升高。其原因是DCMC具有納米級尺寸，可以滲透到膠原基質的原纖維層級內，利用自身高反應活性的醛基，與膠原氨基形成分子間/原纖維內的化學交聯，使得原纖維之內/之間的間隙減小，而纖維之間的間隙增大（圖2）。
圖3. DCMC交聯前后膠原基質的（a）熱穩定性、（b）同步輻射SAXS散射強度、（c）同步輻射SAXS散射強度譜圖中5~3階峰的相對強度（R5/3）和6~5階峰的相對強度（R6/5）、（d）D-周期（由SAXS散射強度譜圖分析所得）、（e）橫截面的FESEM圖像（×50,000）
圖4. DCMC交聯前后膠原基質的（a）橫截面的FESEM圖像（×200）、（b）顯微CT圖像及顯微CT評估程序(V6.6)計算的孔隙率
上述結果證明，通過改變DCMC交聯劑的結構，調節其在膠原基質各層級中的滲透和交聯，能夠有效調控膠原基材料的微觀孔隙結構。該調控機制的建立可為相應生物材料的制備提供指導。
論文信息：Yi Yudan, Zhang Yi, Mansel Bradley, Wang Ya-nan*, Prabakar Sujay*, Shi Bi. Effect of dialdehyde carboxymethyl cellulose cross-linking on the porous structure of the collagen matrix. Biomacromolecules, 2022, 23(4): 1723?1732.
原文鏈接：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.biomac.1c01641
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