高水平综述文章!天大化工学院教师《Chemical Reviews》综述《两性离子生物材料》

天津大学  |  2022-11-23

近日,天津大学化工学院生物化工系张雷教授与康奈尔大学梅尼格生物医学工程学院江绍毅教授、浙江大学高分子科学与工程学系张鹏教授合作,以天津大学化工学院为第一单位, 在影响因子72.087 的高水平期刊《Chemical Reviews》上发表题为《Zwitterionic Biomaterials》的综述文章 , 对两性离子生物材料的独特性质及其在诸多领域的应用研究进行了系统的介绍与讨论。 文章的 第一作者 是天津大学化工学院的助理研究员李庆斯、副教授杨静、博士研究生文驰宇,以及浙江大学高分子科学与工程学系博士研究生周咸池。


“两性离子聚合物 (zwitterionic polymers)”是一类在重复单元上具有一对相反电荷的聚合物材料,可通过离子溶剂化作用发生水合效应,且强于传统非离子型亲水材料通过氢键作用产生的水合效应。两性离子聚合物具备两个主要特点:(1)电荷平衡——正负电荷基团的量相等;(2)最小化偶极——正负电荷在分子水平均匀分布。由于这些特性,两性离子聚合物不会因局部产生电荷而静电吸附蛋白质。这种强水合效应、电荷平衡、最小化偶极决定了两性离子材料的优异抗生物黏附性,包括抗非特异性蛋白质吸附、抗细胞黏附、抗血栓形成、抗免疫排斥反应(Foreign body reaction,FBR)、抗细菌黏附及生物膜形成、抗海洋生物污损等。因此,两性离子材料在血液接触设备、植入设备、医疗设备润滑、抗菌涂层、伤口敷料、纳米医用材料、海洋涂料、抗污分离膜、仿皮肤传感器等生物医学应用以及工业应用中获得广泛关注。另外,除了具备突出的抗生物粘附性,由于强水合效应,两性离子材料能够有效降低冰点,抑制冰成核与生长、修饰冰晶形貌,表现出突出的抗冻性能。


本综述从非特异性蛋白质吸附现象及原理出发,讨论了两性离子材料的水合现象及相关特性,并对不同类型的两性离子材料进行了归纳总结。之后,对它们在不同生物医学应用以及工业应用中的代表性、革新性研究案例进行了展示与讨论(如图1)。最后,对两性离子材料及相关领域的未来发展与挑战进行了总结与展望。本文将有助于从事相关领域研究的高校、研究院所、科技企业等全面了解两性离子材料的设计理念与研究进展,对加速两性离子生物材料的研发与医学、工业应用转化具有重要意义。

两性离子材料的代表性应用如下:

1、用于抗免疫排斥反应(Foreign body reaction, FBR)

FBR是指当医疗仪器设备植入到动物体内后,其周围会形成厚且致密的一层胶原纤维囊,阻断设备与周围组织的物质与信号传递,致使植入失败。为此,FBR是当前植入设备面临的一个重要挑战。基于两性离子材料的抗生物粘附特性,近年来,江绍毅教授和张雷教授开发了一系列抗FBR的可植入材料。首次证明了两性离子水凝胶植入动物体后,可长期避免胶原纤维囊的形成,完全克服了动物体内的FBR。基于该工作,又开发了电荷平衡混电型“免疫屏蔽”水凝胶,可包封保护胰岛不受FBR和免疫系统攻击的影响,如同为其穿上一层“隐身衣”。该“人造胰岛”植入小鼠腹腔后,使小鼠血糖在2天内快速降低到正常水平,且稳定维持至少150天(如图2)。

2、用于仿皮肤传感器(Skin-like sensor)

仿皮肤传感器可模拟人类皮肤,感知多种外部刺激,现已应用于疾病诊疗、人工智能等前沿领域。但由于多重响应信号会彼此干扰,在单一仿皮肤传感器中实现多重信号的检测并实时解耦仍然是一个挑战。张雷教授团队利用两性离子材料的抗生物粘附特性,增强了仿皮肤传感器的灵敏性,开发出了新型智能传感敷料,实现了多重信号的实时监测与区分,并有效促进了慢性伤口(如压疮、糖尿病伤口)的愈合(如图3)。


3、用于细胞冻存 (Cell Cryopreservation)

细胞可在超低温条件下(-80~-196℃)停止新陈代谢,处于“假死”状态,从而实现长期保存。而冻存保护剂能够在降温过程中保护细胞免受冰晶损伤,但现有保护剂存在易致溶血、有毒性等问题。为解决这一问题,张雷教授团队开发出可模拟天然抗冻蛋白的两性离子共聚物,能够结合到冰晶面上有效抑制冰晶生长;同时,基于Gibbs−Curie−Wulff原理,协同使用两性离子小分子使冰晶变得平滑,从而显著提升对细胞的保护性(如图4)。团队开发了一系列高生物相容性细胞冻存剂,应用于红细胞、干细胞、T细胞等重要治疗性细胞的冻存,取得了突出的冻存效果。


责任编辑:曹竞