約翰霍普金斯大學Adv. Funct. Mater.：環糊精調制的I型膠原蛋白自組裝來制備仿生角膜植入物

【引言】

I型膠原蛋白是人體內最常見的一種蛋白，在很多組織中發揮著結構基元的重要角色。在角膜中，膠原蛋白形成直徑約36納米的纖維，并且纖維進一步平行排列得到層狀結構，從而滿足了堅固、透明組織的功能需要。臨床上，開發角膜替代物來代替人體器官移植具有重要意義。目前已經有基于聚（甲基丙烯酸甲酯）和聚（2-羥乙基丙烯酸甲酯）等合成聚合物的現成角膜替代品，但是這些移植物不能有效與周圍組織融為一體并最終會被排出眼外。最近，膠原蛋白基的生物角膜替代物也得以成功合成，相對于聚合物來說它們具有良好的生物相容性，然而缺乏結構組織限制了其功能特性。因此，從開發角膜替代物的角度來說，獲得合適的材料機械性質以同時滿足縫合和視力透明度的要求仍是一個嚴峻的挑戰。

【成果簡介】

近日，約翰霍普金斯大學Jennifer H. Elisseeff教授、Anirudha Sing教授與郭瓊玉教授合作，利用環糊精實現了膠原蛋白纖維化和纖維排列的調制，成功得到了一種高度透明且機械強度高的膠原蛋白玻璃膠移植物，該移植物具有模擬天然角膜的超微結構。研究表明，環糊精能夠與膠原蛋白分子相互作用，從而影響玻璃化過程并促使膠原蛋白原纖維形成片狀結構。該成果以題為"Cyclodextrin Modulated Type I Collagen Self-Assembly to Engineer Biomimetic Cornea Implants"發表在Advanced Functional Materials上。

【圖文導讀】

圖1環糊精調節原纖維形成和排列

(a) 環糊精與膠原蛋白相互作用示意圖；

(b) 環糊精/膠原蛋白材料與不同厚度的膠原蛋白玻璃膠的比較；

(c) 500微米厚植入物的圖片，表明其光學透明度；

(d) 通過仔細剝離單層來證明植入物中宏觀層狀結構；

(e) 通過縫合拔出測試裝置來測量生物材料的縫線保留；

(f) 用來監測玻璃膠縫線保留強度的峰值負載測量。

圖2環糊精官能團影響膠原纖維結構、透明度和機械性質

(a) 通過混合等體積的膠原蛋白和環糊精緩沖液來制備膠原蛋白玻璃膠，過程涉及凝膠化、微原纖維組裝以及在玻璃化過程中原纖維生長和重組；

(b) 膠原蛋白、β環糊精/膠原蛋白、β環糊精-琥珀酰/膠原蛋白以及天然兔角膜的TEM和SEM圖像；

(c) 有無環糊精的膠原蛋白玻璃膠在可見光譜范圍內的光透射；

(d) 楊氏模量和斷裂應變測量以監測環糊精摻入后玻璃膠的拉伸性能；

(e) 環糊精功能化前后膠原蛋白玻璃膠的振蕩流變性質；

(f) 差示掃描量熱法分析圖以確定環糊精摻入對玻璃膠熱穩定性的影響。

圖3 膠原蛋白與環糊精間的分子相互作用及其對原纖維形成的影響

(a) 圓二色光譜用來證明可溶性膠原蛋白和β環糊精相互作用后熱穩定性的變化；

(b) 有無環糊精條件下膠原蛋白三螺旋結構的圓二色光譜；

(c) 將β環糊精和β環糊-琥珀酰加入可溶性膠原蛋白后，紫外-可見光譜吸收峰值的偏移；

(d) 通過QCM分析得到的膠原蛋白涂覆基底上β環糊精和β環糊-琥珀酰沉積和結合引起的頻率變化；

(e) 通過ITC測量的β環糊精與膠原蛋白之間的結合親和力；

(f) β環糊精化學結構以及β環糊精疏水內核與膠原蛋白疏水基團之間的相互作用的示意圖；

(g) β環糊-琥珀酰化學結構以及將β環糊-琥珀酰引入到膠原蛋白后高度親水琥珀酰側鏈帶來額外相互作用的示意圖。

圖4 仿生膠原蛋白-環糊精植入物的功能兼容性和手術體內性能

(a) 體外兔角膜中環糊精/膠原蛋白材料的植入示意圖；

(b) 通過熒光素染色觀察的72小時后角膜上皮創面愈合情況；

(c) 利用H&E組織學在72小時觀察到的植入物中上皮細胞增殖情況；

(d) 通過植入的體外角膜切片的免疫組織化學DAPI（藍色）和K-14（紅色）染色來實現細胞成熟和功能上皮細胞的可視化；

(e) 用于制造具有所需曲率植入物的定制模具；

(f) 具有健康角膜曲率的透鏡狀β環糊精/膠原蛋白角膜植入物；

(g) 使用間斷縫合的角膜植入物的體內植入和附著的示意圖；

(h) 手術當天兔模型的體內眼科手術的圖像；

(i) 31天時體內眼表的圖像；

(j) 31天時熒光素染色（在藍光下）以監測β環糊精/膠原蛋白植入物再上皮化的進展情況；

(k) 14天后使用Masson's Trichrome染色以實現植入物可視化的切片組織學分析；

(l) 在外圍和中間傷口區域的層粘連蛋白（紅色）和DAPI（藍色）的免疫染色。

【小結】

本文中通過環糊精調制I型膠原蛋白玻璃化過程中的自組裝，成功開發了一種透明且堅固的角膜替代物，該種角膜替代物具有與天然角膜類似的超微結構。環糊精能夠抑制原纖維形成并調制層狀組織，從而得到直徑更小的纖維和片狀結構，而且該植入物能夠促進組織整合和支持再上皮化。因此，添加環糊精能夠有效調節膠原蛋白自組裝，提供了一種制備角膜仿生代替物的簡單方法。

文獻鏈接：Cyclodextrin Modulated Type I Collagen Self-Assembly to Engineer Biomimetic Cornea Implants??(Adv. Funct. Mater. 2018, DOI: 10.1002/adfm.201804076)

本文由材料人生物學術組biotech供稿，材料牛審核整理。

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