多酚水凝胶研究的“金字塔型”正向演化历程及逆向设计思路

2022-07-12
来源:三九健康网 - 资讯
随着组织工程、生物医学、材料科学等学科的发展和交叉融合,水凝胶逐渐被用于组织和器官的修复再生、药物递送、生物传感以及生物成像等方面,在生物医学领域发挥着越来越重要的作用。
多酚水凝胶研究的“金字塔型”正向演化历程及逆向设计思路
多酚水凝胶研究的“金字塔型”正向演化历程及逆向设计思路

近日,中山大学附属第六医院脊柱骨科陈克冰副主任医师团队联合中山大学药学院曾小伟团队,从多酚水凝胶的性质和不同应用场景的需求出发,对多酚水凝胶在不同生物医学领域的应用进行广泛的总结,对多酚水凝胶的研究和应用提供了重要参考。

相关成果于近日发表在国际期刊Bioactive Materials 杂志(影响因子 16.8737),中山大学药学院李子牧为论文第一作者,陈克冰副主任医师和曾小伟教授为共同通讯作者。

作为一种具有高含水量和良好生物相容性的高分子半固体材料,水凝胶在生物医学领域的研究已有40多年。由于其与人体组织的相似性,水凝胶最初被用作细胞培养基质和伤口敷料。随着组织工程、生物医学、材料科学等学科的发展和交叉融合,水凝胶逐渐被用于组织和器官的修复再生、药物递送、生物传感以及生物成像等方面,在生物医学领域发挥着越来越重要的作用。

多酚类化合物是一种含有苯环及多个酚羟基的化合物,广泛分布于各种植物和海洋生物中。目前已证实多酚类化合物具有良好的抗氧化、抗菌、抗肿瘤、免疫调节、抗辐射等性质,并且安全性较高,近年来已广泛应用于医药、食品、化妆品等领域。此外,多酚类化合物中所含有的邻苯二酚/三酚等基团可以与许多分子产生相互作用,形成多种非共价键(氢键、π-π相互作用、阳离子-π相互作用等)或共价键相互作用(Michael加成/ schiff -碱反应、多酚-金属配位等)。将其引入水凝胶体系后可以弥补传统水凝胶所不具有的性质如粘附性、自愈合性等,进而促进其在生物医学领域的应用。

基于近年来多酚水凝胶的研究进展,论文里详细描述了多酚水凝胶由交联结构到衍生性质,再到其广泛的生物医学应用的“金字塔型”演化历程,并提出了多酚水凝胶研究中由应用到性能再到结构的逆向设计思路。

图1. 多酚水凝胶的“金字塔型”演化历程和逆向设计思路示意图 / 医生供图 

首先,该文根据多酚物质的种类对多酚水凝胶进行分类(图2),不同的多酚类化合物具有不同的性质,如多巴胺在弱碱性条件下可自聚合成聚多巴胺,具有优异的黏附性和生物相容性;单宁酸拥有大量酚羟基,可以直接参与水凝胶的交联;EGCG具有多种生物活性和良好的生物相容性;木质素来源丰富,且可用于制备无引发剂的水凝胶等。

图2.多酚水凝胶类别 / 医生供图

鉴于许多多酚水凝胶的性质与促进伤口愈合、治疗癌症等生物医学应用高度匹配,越来越多的研究通过构建多功能多酚水凝胶平台来解决生物医学领域的问题。因此,该文从多酚水凝胶的性质和不同应用场景的需求出发,对多酚水凝胶在不同生物医学领域的应用进行广泛的总结。

多酚水凝胶的应用主要包括伤口愈合、肿瘤治疗、运动系统疾病治疗、消化系统疾病治疗、眼部疾病治疗、脊柱损伤修复、生物电子、防晒与护肤等方面。以伤口愈合为例(图3),理想的伤口愈合材料应该具有止血、抗菌和抗炎的效果。多酚类化合物能够赋予多酚水凝胶粘附性、自愈性、生物亲和性、抗菌性、抗氧化性等特性,并且使水凝胶同时也能作为良好的药物递送载体,从而满足伤口愈合材料的要求。

图3. (A)多酚水凝胶与组织相互作用,具有很强的止血附着力;(B)多酚水凝胶系统使盐酸四环素能够缓释,达到长效抗菌;(C)多酚水凝胶清除自由基的机制 ;(D)多功能多酚水凝胶用于伤口愈合的示意图;(E)金黄色葡萄球菌感染的伤口在多酚水凝胶治疗下的愈合过程。 / 医生供图

至此,对多酚水凝胶的认识已经形成了一条从结构到性质到应用的清晰研究脉络。但是,对多酚水凝胶进行研究的价值在于产生准确而有效的应用,从而为生物医学科学做出贡献,因此,基于对多酚水凝胶进行人工设计和修饰就显得尤为重要。

团队成员陈克冰教授介绍到,基于现阶段对于多酚从结构到应用的认识,提出了一种新型多酚水凝胶逆向设计的思路。具体而言,从应用场景开始并以目标为导向,设计者可以考虑该应用场景下所需要的性质,然后设计可以产生这些性质的水凝胶交联结构,最后再选择能够产生目标交联结构和性质多酚水凝胶的成分,从而完成整个设计过程。

总的来说,通过将自然来源或人工改性的多酚类化合物与水凝胶材料进行融合,诞生了多酚水凝胶这类生物活性材料,其具备优异的理化性质和广泛的应用范围,但相比于较为成熟的传统水凝胶,对于多酚水凝胶的研究仍处于起步阶段,存在许多挑战需要克服。该论文有望给相关研究学者们更多的启示,以进一步推动多酚水凝胶生物活性材料的发展。

本文指导

陈克冰副主任医师

副主任医师/硕导,中山大学附属第六医院脊柱骨科主任,广东省医学会脊柱外科分会颈椎学组委员,广东省医学会疼痛学分会微创学组委员。2020年度、2021年度广东省家庭医生协会岭南名医(骨科),2020年度羊城晚报岭南好医生。2011年博士毕业于中山大学,2009-2010年作为中山大学联合培养博士生赴日本福井大学医学部骨科从事科学研究,回国后于2019年取得日本福井大学的医学论文博士学位。在脊柱外科具有高超的手术造诣,每年完成数百台脊柱手术,手术擅长脊柱畸形矫形,尤其是青少年特发性脊柱侧弯、成人退行性脊柱侧弯、强直性脊柱炎后凸畸形的矫形;擅长颈椎病、上颈椎畸形、颈椎后纵韧带骨化、胸椎黄韧带骨化/后纵韧带骨化、脊柱感染(结核)等复杂脊柱疾病的手术治疗;擅长经皮穿刺椎体成形术、经皮椎弓根螺钉固定、显微镜/椎间孔镜下颈腰椎间盘髓核摘除术等脊柱微创手术。

学术成果:主要研究方向为脊髓继发性损伤的炎症反应机制及药物治疗。近年来,在Bioactive Materials 、ACS Applied Materials & Interfaces、Carbohydrate Polymers、Drug Delivery、Journal of Leukocyte Biology和Spine等国际知名期刊发表SCI收录论文20余篇,其中第一/通讯作者论文12篇。主持或主持完成国家自然科学基金、广东省自然科学基金等国家和省部级项目4项。

出诊时间:周一上午、周二下午、周三上午

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