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石墨烯血管,真的可行么?

时间:2020-04-16 浏览:765次

先不说这些商品里含有的到底是不是真正的石墨烯,也不说商家宣传的各种神奇功效到底有没有数据支持,这些至少能或多或少地反映大众对石墨烯这种神奇材料的期待。

实际上,在严谨的科研领域,学者们也一直在探索石墨烯的更多可能应用。比如,你能想象石墨烯用于人造血管的3D打印么?近日,英国伦敦玛丽女王大学Alvaro Mata等研究者在Nature Communications 杂志上发表论文,报道了一种无序蛋白质和氧化石墨烯(GO)的共组装体系,该体系可以通过类似3D生物打印的方式,组成毛细血管状结构,具有血管组织的某些生理特性,并有望应用于在实验室中仿制人体组织和器官的关键部位。


自组装血管状结构。图片来源:Nat. Commun.

GO具有丰富的含氧官能团(羟基、烷氧基、羰基和羧基),自身经常呈负电性,因此可以促进与不同分子之间——尤其是带正电性的分子之间——相互作用。研究者选择与氧化石墨烯相互作者的是一种无序蛋白质——弹性蛋白样重组体(elastin-like recombinamers, ELRs),这是一类基于天然弹性蛋白基序Val-Pro-Gly-X-Gly(VPGXG,其中X可以是脯氨酸以外的任何氨基酸)重组产生的弹性蛋白样多肽。以往研究表明,这些多肽分子随着温度的变化呈现不同的分子构象,能够表现出可逆的相变,并已经被用于制造生物相容性材料。本文涉及的三种ELRs如下图a所示。


分子构建和共组装原理。图片来源:Nat. Commun.

有趣的是,当ELK1溶液滴入GO溶液时,在液滴周围界面处,可以形成厚度为~50 μm的多层膜,该膜便是由ELK1和GO通过电荷相互作用自组装而成。那么,随着注射器一边注入ELK1溶液,一边移动,就可以形成一条管状的结构,其内径大小由注射针头的尺寸决定。该体系可以在存在细胞的培养基中,通过协同自组装形成毛细血管状结构,细胞可以嵌入管壁内和管壁上。

ELK1-GO的自组装、结构和性能。图片来源:Nat. Commun.

如果将ELK1溶液当做“墨水”放入挤压式3D打印机中,就可以在GO溶液里自由的“打印”不同形状的管状结构了。于是,研究者打印出不同内径、不同尺寸、不同扭转角度和不同分叉的管状结构,可以承受高达12.5  mL/min的水流至少24  h,最高流量将产生0.26  N/m2的剪应力,这与颈总动脉产生的平均剪应力(0.7 N/m2)相差不大。

既然自组装的原因来自分子尺度上ELK1和GO强烈的相互作用,因此,二者的溶液浓度肯定会影响所形成管状结构的性能。研究发现,当二者浓度比在15~40时,相互作用表现的最强烈,于是在“打印”过程中,ELK1浓度保持在2%,而GO浓度选择为0.05%、0.10%和0.15%。正如预期的那样,随着GO浓度的增加,管状结构的强度、断裂应变和韧性都有所增加。而利用0.10%的GO溶液制备的管状结构的弹性模量最高。

ELK1和GO的分子间相互作用和力学性能测试。图片来源:Nat. Commun.

不同温度下,ELK1与GO共组装形成的结构性质也不同。研究发现,在ELK1的转变温度(Tt)30 °C下得到的管状结构,比4 °C和45 °C下得到的管状结构更稳定、更清晰,表明在30 °C下ELK1与GO具有更强的相互作用。ELK1在不同温度下的3D构象在其与GO薄片的相互作用中起着关键作用,这反过来又会影响扩散-反应机制,从而决定所得ELK1-GO管状结构的性能。

既然希望将该体系应用于人造血管,生物验证必不可少。细胞培养基内自组装的管状结构,细胞可以在管壁和管腔内扩散和生长7天以上。尽管已知当浓度高于100 ng/mL 时,GO在体外对内皮细胞具有细胞毒性。然而,研究者发现,ELK1-GO复合材料可以降低GO的细胞毒性水平,大大提高细胞存活率。此外,复合材料还具有良好的生物相容性,这些结果为ELK1-GO共组装体系在人造血管中的应用提供了可能。

ELK1-GO的细胞毒性和体外生物相容性验证。图片来源:Nat. Commun.


“人们对开发模仿自然的材料和制造工艺非常感兴趣。然而,通过分子的自组装来构建功能材料和器件的能力一直受到限制”,本文一作Yuanhao Wu说 [1],“这项研究介绍了一种新的方法,通过自组装将蛋白质与氧化石墨烯结合起来,可以容易地与制造技术相结合,构建生物流体装置,使研究者能够在实验室复制人体组织和器官的关键部分。”


参考文献:
1. Biomaterial discovery enables 3D printing of tissue-like vascular structures
https://www.nottingham.ac.uk/news/biomaterial-discovery-enables-3d-printing


文章转自X-MOL(x-mol.com)




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