基于天然生物聚合物的自下而上静电组装多尺度结构及其生物医学应用

《Cell Biomaterials》：Bottom-up electrostatic assembly of natural biopolymer-based multiscale structures for biomedical applications

　　

天然来源聚合物因其生物可利用性、生物相容性、理化、结构和生物学特性以及与活体组织细胞外基质（ECM）的结构相似性，已成为工程化多功能生物材料用于多种生物医学场景的可持续且高度通用的构建模块。本综述全面概述了天然来源聚合物的多样来源、自下而上的静电组装策略以及互补的制造技术，以构建静电驱动的超分子多功能生物材料。研究人员重点举例说明了将天然聚合物加工成坚固的超分子多功能架构的过程，这些架构跨越多个长度尺度，非常适用于各种生物医学应用，包括可控药物/治疗剂/核酸递送、基因治疗、伤口愈合、组织工程和再生医学。还讨论了将自下而上的超分子组装策略与互补制造技术以及人工智能工具相结合的新兴方法，旨在为生物医学应用实现日益复杂、多尺度的天然生物聚合物基多功能结构。

论文解读

研究背景与现存问题

随着生物医学领域对生物相容性、生物功能性和可持续材料的需求日益增长，合成聚合物虽具备结构多样性、可重复性和精确可调的理化及力学性能，但在生物降解性、环境可持续性以及模拟天然生物系统复杂性方面存在局限。相比之下，天然聚合物因其广泛的生物可利用性、固有的生物相容性、低免疫原性和内在的生物功能性，成为开发先进材料的理想构建单元。然而，仅靠材料组成无法再现生物系统的结构与功能复杂性。天然组织的细胞外基质（ECM）具有高度有序的组织结构，其组成、构型和力学特性调控着细胞的粘附、迁移、增殖、分化等一系列行为。因此，亟需开发能够重现天然ECM特定特征的生物材料，以引导细胞行为并促进组织再生。为此，自下而上的组装策略应运而生，其中静电相互作用因其高度可调性而尤为引人注目。然而，大多数天然聚合物在生理pH下呈中性或弱负电性，限制了其与带负电的细胞膜表面的相互作用。此外，尽管关于单一天然生物聚合物、组装方法和特定生物医学应用的文献众多，但缺乏一个统一的框架来连接聚合物理化性质、静电组装机制、加工参数、结构维度与生物功能之间的关联。因此，本研究旨在通过提供一份全面的综述，填补这一空白。

研究内容与意义

研究人员在这篇综述中，系统地概述了带相反电荷的天然来源聚合物、自下而上的静电组装策略以及互补的制造技术，用以生成从零维（0D）到三维（3D）的多尺度生物医学结构。研究人员通过批判性地讨论代表性实例，识别了连接分子和加工变量与生物材料结构、功能及应用性能的设计原则。这些结构涵盖了0D纳米颗粒和纳米胶囊、1D固体纳米纤维和纳米管、2D平面或图案化的薄膜及自支撑膜，以及3D微米/宏观管、水凝胶、空心单腔室和多腔室微胶囊及多孔支架等。该综述强调了这些结构在药物/治疗剂/核酸递送、基因治疗、伤口愈合和组织工程等领域的广泛应用。更重要的是，研究人员还探讨了混合生物制造策略和人工智能（AI）辅助生物材料设计的最新进展与挑战，指出计算工具有望支持聚合物配对选择、配方和加工优化以及结构-性能-功能关系的识别，尽管目前仍受限于稀疏异构的数据集、批次间差异和跨平台验证不足等问题。这项工作为仿生材料的理性设计提供了路线图，弥合了基础科学与实际生物医学应用之间的鸿沟。

关键技术方法

研究人员在文中详细阐述了构建静电驱动超分子材料的几项关键技术方法：

1. 1.
   层层自组装（LbL）：通过在基底上依次沉积带相反电荷的物质，构建多层薄膜、涂层、胶囊和管状结构，实现对厚度、组成和表面性质的精确控制。
2. 2.
   聚电解质复合物（PEC）形成：通过带相反电荷的聚电解质在水溶液中的本体缔合，快速一步形成纳米/微粒、胶囊、膜和水凝胶。
3. 3.
   复合凝聚：作为PEC的一种特例，通过液-液相分离形成高水合、动态的聚合物富集液相，适用于制备可注射储库和刺激响应性材料。
4. 4.
   静电纺丝：利用高压电场拉伸聚合物溶液形成纳米至微米级纤维，构建ECM样纤维网络。
5. 5.
   3D打印：通过逐层沉积墨水，实现对宏观几何形状、空间异质性和患者特异性设计的精确控制。
6. 6.
   微流控：在微尺度上精确操控流体，制备单分散的纳米颗粒、液滴、胶囊和纤维，提高可重复性和结构均匀性。

研究结果

0D结构

• •
  纳米颗粒（NPs）：通过PEC或LbL涂层制备。PEC法利用纤维素纳米纤维与壳聚糖（CHT）等聚合物，可调控粒径和表面电荷，用于口服和全身给药。微流控技术比传统PEC法能产生更单分散的颗粒。LbL涂层可改善药代动力学，如海藻酸钠（ALG）核与CHT/ALG壳构成的NP，其力学性能和形态由最外层决定，并能抵抗酸性环境实现肠道控释。
• •
  纳米胶囊：主要通过LbL组装于牺牲模板上制得。通过调节多层膜的组成（如引入精氨酸或CHT层）可实现pH响应性释放。光响应性偶氮苯功能化的ALG/CHT多层膜能在紫外线下发生异构化导致胶囊解体。PEC法制备的CHT/果胶纳米胶囊因正电荷表面增强了眼部药物滞留和角膜渗透。

1D结构

• •
  电纺纳米纤维：通过静电纺丝制备。例如，胶原/聚乳酸-羟基乙酸共聚物（PLGA）/CHT纤维通过静电吸附固定血管内皮生长因子（VEGF），促进糖尿病创面愈合。CHT/ALG或CHT/透明质酸（HA）体系通过调节组成影响纤维的孔隙率、力学强度和生物活性。将纳米纤维整合入生物墨水中，可增强结构稳定性和软骨样力学行为。
• •
  LbL涂层纳米管：利用牺牲模板（如聚碳酸酯膜）进行LbL沉积后去除模板制得。CHT/ALG纳米管经酶处理可减小直径，并实现高效细胞内吞。聚-L-赖氨酸（PLL）/HA涂层的PLGA管用于骨形态发生蛋白-2（BMP-2）的控制释放，促进了临界尺寸骨缺损的愈合。

2D结构

• •
  薄膜：非图案化LbL薄膜通过调整层数、壳聚糖脱乙酰度（DD）等参数调控细胞粘附、药物释放和润滑性能。例如，CHT/ALG涂层隐形眼镜实现了眼用药物的持续释放。图案化LbL薄膜通过微接触印刷等功能化，可创建特定的细胞粘附域，用于研究细胞-细胞相互作用和构建共培养系统。
• •
  自支撑膜：通过LbL组装数百层聚电解质后从疏水基底剥离获得。膜的不对称性允许两侧独立功能化，如ALG终端的表面比CHT终端更利于细胞粘附。引入邻苯二酚修饰（如多巴胺）可增强粘附力和促成骨分化。这类膜还表现出形状记忆行为，可通过微创手术植入。PEC法则是一种更简单的替代方案，如CHT/ALG复合膜可用于包载低分子量肽。

3D结构

• •
  微/宏观中空管：LbL涂层管通过沉积于牺牲棒状模板上制成，经京尼平交联和纤连蛋白（FN）功能化后，可分别在内、外表面培养人脐静脉内皮细胞（HUVECs）和平滑肌细胞（HASMCs），模拟天然血管。光响应性自推进蛋白微管结合了金纳米粒子（AuNPs）、阿霉素（DOX）和过氧化氢酶（CAT），实现了近红外（NIR）触发的药物释放。PEC法则通过ε-PLL和ALG的全水相界面复合，制备了柔性、可灌注的管状结构，适用于集成到多通道微流控平台。
• •
  水凝胶：非交联水凝胶基于季铵化CHT与ALG或羧甲基CHT的PEC，具有自修复、可注射特性，能促进伤口愈合。HA/CHT凝聚物支架支持软骨分化。双网络水凝胶通过物理缠结、静电作用和共价交联协同增强力学性能，如结冷胶/明胶双网络水凝胶的断裂韧性可与软骨媲美。甲基丙烯酰化CHT和HA形成的凝聚物经光交联后，展现出优异的湿态组织粘附力。

讨论与结论

讨论部分指出，维度应被视为功能性设计参数而非纯粹的分类描述，它影响着物质传输、力学性能、降解和细胞-材料相互作用。0D结构利于运输和递送，1D结构提供各向异性引导，2D结构调控界面和屏障功能，3D结构则提供体积环境支持细胞封装和组织构建。虽然层层自组装（LbL）在现有研究中占主导地位，但这反映了其在该领域的成熟度，而非其普遍优越性。聚电解质复合物（PEC）和复合凝聚更适合快速本体组装和高载药量，而微流控、静电纺丝和3D打印等互补技术在实现尺寸均一性、ECM样结构和宏观几何控制方面各有优势。

研究结论可总结为：天然来源聚合物是构建多功能生物医学材料的理想构建单元。通过自下而上的静电组装策略（LbL、PEC、复合凝聚）并结合互补制造技术（静电纺丝、3D打印、微流控），可以构建从0D到3D的多尺度结构。这些结构的性能取决于聚合物分子特征（电荷密度、分子量、链柔顺性）、环境因素（pH、离子强度）和加工条件的综合作用。这些材料在药物递送、伤口愈合、组织工程等领域展现出巨大潜力。未来，人工智能（AI）和数据驱动的方法有望加速材料筛选和优化，但其成功依赖于标准化、高质量数据集的建立。最终，解决可重复性、安全性、规模化生产等挑战是实现这些新兴技术临床转化的关键。