需要JoVE订阅才能观看此内容。 请登录或开始免费试用

方法文章

强效粘附性水凝胶 Gelatin O-硝基苯甲醛的合成

3K 次观看

⸱

DOI:

10.3791/64755

⸱

2022年11月11日

 ,  ,  ,  ,  , 

* These authors contributed equally

本文内容

摘要

本文所述方案展示了强效黏附性水凝胶明胶邻硝基苯甲醛(gelatin-NB)的合成方法。gelatin-NB具有快速且高效的组织黏附能力,可形成坚固的物理屏障以保护创面,因此有望应用于损伤修复生物技术领域。

摘要

粘附性材料已成为生物医学和组织工程领域中广受欢迎的生物材料。在我们之前的研究工作中,我们提出了一种新型材料——明胶邻硝基苯甲醛(gelatin-NB),该材料主要用于组织再生,并已在角膜损伤和炎症性肠病的动物模型中得到验证。这是一种通过邻硝基苯甲醛(NB)对生物明胶进行修饰后形成的新型水凝胶。明胶-NB的合成方法是:首先活化NB-COOH中的羧基,然后在1-(3-二甲氨基丙基)-3-乙基碳二亚胺盐酸盐(EDC)和N-羟基琥珀酰亚胺(NHS)的作用下与明胶发生反应。所得产物经过纯化后获得最终产品,可稳定储存至少18个月。NB能够与组织中的-NH2基团产生强粘附作用,形成大量C=N键,从而增强明胶-NB在组织界面的粘附性能。该制备过程包括NB-COOH基团的合成、基团修饰、明胶-NB的合成以及化合物纯化等步骤。本研究旨在详细描述明胶-NB的具体合成过程,并展示其在组织损伤修复中的应用。此外,本实验方案的提出,有助于科学界进一步增强和拓展该材料的性能,以适用于更多实际应用场景。

引言

水凝胶是一类通过吸水溶胀形成的三维聚合物。特别是来源于细胞外基质的水凝胶,由于其优异的生物相容性和治疗效果,在生物合成与再生医学领域得到广泛应用1。已有研究报道水凝胶可用于胃溃疡、神经炎、心肌梗死2,3,4等疾病的治疗。此外,已有研究证实明胶-NB可改善炎症性肠病(IBD)的炎症结局5。传统的水凝胶包括结冷胶、明胶、透明质酸、聚乙二醇(PEG)、层状、疏水/亲水、海藻酸盐/聚丙烯酰胺、双网络以及两性聚电解质水凝胶6,这些水凝胶均具有良好的组织相容性和力学性能。然而,这些传统水凝胶易受环境中湿气和空气的影响。若长时间暴露于空气中,会失水干燥;若长期浸入水中,则会吸水膨胀7,从而降低其柔韧性与力学功能。此外,维持传统水凝胶的组织粘附性仍是一项重大挑战8。

基于此,我们设计并合成了纳米级水凝胶明胶-NB,这是一种通过将生物明胶与NB修饰而形成的新型水凝胶(图1)。NB对组织上的-NH2

访问受限。请登录或开始试用以查看此内容。

方案

C57BL/6小鼠购自浙江大学医学院附属邵逸夫医院,新西兰兔购自浙江大学。动物在自然光照-黑暗循环条件下饲养,并可自由获取食物和饮用水。所有实验程序均经浙江大学伦理委员会(批准号:ZJU20200156)和浙江大学医学院附属邵逸夫医院动物护理与使用委员会批准,符合《美国国立卫生研究院实验动物护理与使用指南》的标准(批准号:SRRSH202107106)。

1. NB-COOH 的合成

  1. 根据先前研究提出的方案10,称取4-羟基-3-(甲氧基-D3)苯甲醛(8.90 g,58.5 mM,1.06当量[eq.])、碳酸钾(10.2 g,73.8 mM,1.34 eq.)和4-溴丁酸甲酯(9.89 g,55.0 mM,1.0 eq.)。将上述化合物溶于40 mL N,N-二甲基甲酰胺(DMF)中,在常温下搅拌16小时。
  2. 向混合物中加入200 mL 0 °C的水,使产物析出沉淀,得到粗产物。
  3. 将粗产物反复溶于DMF中,并重复沉淀过程共五个循环。沉淀后在80 °C下干燥2小时,得到前期产物。

2. 化学修饰与处理

  1. 按以下方法进行甲基4-(4-甲酰基-2-甲氧基苯氧基)甲氧基苯基丁酸甲酯的ipso取代反应。
  2. ....

访问受限。请登录或开始试用以查看此内容。

结果

图 2A 展示了明胶-NB 合成过程中涉及的主要化学反应示意图,该反应通过将 NB 基团接枝到明胶上,促进组织整合。图 2B 显示,明胶-NB 水凝胶中的邻硝基苯在紫外光照射后立即转化为 NB 基团,随后活性醛基可与氨基发生交联,形成席夫碱。图 2C 表明,NB 基团的不同比例可能导致明胶-NB 形成不同的交联结构。

同时,对明胶-NB的物理性质进行了初步表征。如图3所示,当NB的投料比(FR)较低时,明胶-NB表现出强烈的凝胶化趋势。这意味着低FR的明胶-NB由于含有大量可与光生醛基反应的氨基,会形成柔软的水凝胶;而高FR的明胶-NB则能保持为可变形的液滴状态。我们还通过扫描电子显微镜(SEM)观察到,明胶-NB的整体形态能够稳定地黏附在角膜表面,如图3C所示。然而,未经处理或仅用明胶.......

访问受限。请登录或开始试用以查看此内容。

讨论

粘合材料是一类新型材料。越来越多的研究人员致力于合成各种类型的粘合材料,并尝试将其应用于生物技术、组织工程、再生医学及其他领域,近年来由此推动了该领域的蓬勃发展。除了关注粘合材料的强粘附性能外,研究人员也日益重视其他特性,如可注射性、自愈合性、止血性、抗菌性、可控移除性等13。这些新应用极大地拓展了粘合材料的应用范围,展现出广阔的应用前景。

本文介绍了新型水凝胶明胶-NB的合成方法。明胶-NB具有较强的黏附性,据报道其可应用于临床角膜损伤和肠道损伤的修复5,12。因此,推广明胶-NB的制备方法具有重要的学术价值和应用意义。

制备明胶-NB的关键步骤是其合成过程。我们提出了“投料比”(FR)的概念,即NB基团与明胶中伯氨基之间的摩尔比。合成明胶-NB的FR并非固定不变,可根据粘附组织界面的性质进行调整。对于兔角膜,明胶-NB滴眼液的FRNB =.......

访问受限。请登录或开始试用以查看此内容。

披露

作者无任何利益冲突需要披露。

材料

本文使用的材料清单
姓名公司目录编号评论
1-(3-二甲基氨基丙基)-3-乙基碳二亚胺盐酸盐(EDC)阿拉丁L287553
4-羟基-3-(甲氧基-D3)苯甲醛上海阿科迈生物科技有限公司H946072
二氯甲烷(DCM)阿拉丁D154840
二氯甲烷Sigma-Aldrich270997
二甲基亚砜(DMSO)Sigma-Aldrich20-139
二甲基甲酰胺(DMF)Sigma-AldrichPHR1553
明胶Sigma-Aldrich1288485
硫酸镁Sigma-AldrichM7506
甲醇(MeOH)Sigma-Aldrich1424109
甲基 4-(4-甲酰基-2-甲氧基苯氧基甲氧基苯基)丁酸甲酯chemsrc141333-27-9
4-溴丁酸甲酯阿拉丁M158832
NaBH4Sigma-Aldrich215511
N-羟基琥珀酰亚胺(NHS)阿拉丁D342712
硝酸Sigma-Aldrich225711
碳酸钾Sigma-Aldrich209619
扫描电子显微镜(SEM,Nova Nano 450)Thermo FEI17024560
四氢呋喃/乙醇(THF/EtOH)阿拉丁D380010
三氟乙酸(TFA)Sigma-Aldrich8.0826

参考文献

  1. Tam, R. Y., Smith, L. J., Shoichet, M. S. Engineering cellular microenvironments with photo- and enzymatically responsive hydrogels: toward biomimetic 3D cell culture models. Accounts of Chemical Research. 50 (4), 703-713 (2017).
  2. Xu, X., et al.

访问受限。请登录或开始试用以查看此内容。

重印与许可

探索更多文章

组织再生水凝胶合成组织粘附角膜损伤修复炎症性肠病羧基活化硅胶柱层析再生医学