仅需5分钟让生物惰性材料“活”起来

本文转自：科技日报

我科学家在表面生物活化领域取得新进展

仅需5分钟让生物惰性材料“活”起来

科研人员设计合成出以三肽为端基的细胞黏附多肽或聚合物，可以通过一步简单的修饰，在5分钟内赋予材料表面细胞黏附特性，使生物惰性材料转变为生物活性材料。

◎本报记者 张 强

生物活性材料可以促进细胞黏附和新组织再生，在医学领域有着重大的临床需求。长期以来，科研人员一直追求将具备更好物理特性的生物惰性材料进行转化，以获得性能更加优异的活性材料。通过分子修饰促进表面生物活化是实现转化的有效策略，但现有方法通常不具有普适性，且存在步骤复杂、条件严苛等问题。

近日，科技日报记者获悉，华东理工大学材料科学与工程学院教授刘润辉课题组设计合成出以三肽——丁二胺—多巴—赖氨酸—多巴（DbaYKY）为端基的细胞黏附多肽或聚合物，可以通过一步简单的修饰，在5分钟内赋予材料表面细胞黏附特性，使生物惰性材料转变为生物活性材料。相关研究发表在《美国化学会志》。

将生物惰性材料向活性材料转化

生物活性材料植入体内后可促进细胞的黏附、增殖、迁移等一系列生物学过程，这些材料在医疗领域中被广泛应用于骨修复、血管修复、心肌修复等组织修复。而生物惰性材料是指与生物体接触后几乎不能引起明显生物反应的材料，常见的生物惰性材料包括钛合金、不锈钢、硅胶等。

刘润辉介绍，在组织修复的过程中，如果植入体为生物惰性材料，则不利于组织修复再生，但生物惰性材料往往具备一些良好的物理特性。例如聚醚醚酮材料PEEK具有良好的力学性能、化学稳定性、X射线可穿透性和易加工性，其力学性能最为接近人体骨骼，在骨修复领域非常有应用前景。但长期临床跟踪和研究发现，由于缺乏生物活性，PEEK植入人体内的组织整合效果不佳。

“那么，鱼和熊掌如何兼得呢？这就需要我们将这些具有优异力学性能的生物惰性材料，转化为生物活性材料。”论文第一作者、华东理工大学材料科学与工程学院博士后陈琦说。

新方法对各类材料普适、操作简单方便

记者了解到，目前将生物惰性材料转化为活性材料主要包括以下几种方法：一是表面活性改变，即通过改变生物惰性材料的表面性质，如表面电荷、亲水性等，增加材料与生物体的相互作用，提高材料的生物反应活性；二是结构改变，即通过改变生物惰性材料的结构，如形貌、微观结构等，使材料具有更好的生物适应性和生物相容性；三是修饰功能分子，即采用表面修饰方法将活性功能分子修饰于惰性材料表面，例如将促细胞黏附的多肽修饰于这些材料表面，以增加其生物相容性、生物识别、抗菌性等功能。

表面修饰方法是当前使用较多的方法。但常用的表面修饰方法不仅步骤繁琐，还存在诸多局限性。刘润辉介绍，比如某些表面修饰方法对材料的适用性有限，修饰过程复杂且成本较高，还有一些表面修饰方法对环境有一定的污染风险。因此，研究人员一直在探索更为简便和环保的表面修饰方法。

在前期的研究中，刘润辉团队受沙堡蠕虫的启发，发现了DbaYKY，它可通过简单的一步修饰将水凝胶功能化。这种三肽可通过液相合成大量制备，并可以引发多种类型的聚合。此前，该成果已发表于国际期刊《自然·通讯》。“而后，我们进一步设计合成了端基带有DbaYKY的细胞黏附多肽和模拟细胞黏附多肽的β-氨基酸聚合物。”刘润辉介绍。

“在此基础上，我们发现其可以在各类表面进行修饰，且修饰时间仅需5分钟即可赋予表面细胞黏附功能。”刘润辉表示，“也就是说，我们通过一步简单的修饰即可实现生物惰性材料向生物活性材料的转化。”

“同时，我们的方法也不需要严苛的修饰条件，只需要在室温下的缓冲盐溶液中修饰。相比于传统的化学修饰方法，其具有对各类材料普适、修饰简单方便的优势。”陈琦说。

刘润辉表示，这种转化技术的适用面很广，可以应用于各类骨修复材料，例如PEEK、钛合金、不锈钢等惰性材料的转化。同时，该技术也可以应用于其他组织修复材料，例如血管修复材料、心肌修复材料等的转化。