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《Angew》同济大学王启刚：超快速凝胶和软骨修复的组织液触发酶聚合

摘要可注射前体的原位凝胶化在组织再生领域是可取的，尤其是在不规则缺陷填充的情况下。当前快速凝胶化的驱动力包括热敏共聚物的相变、与组织成分的点击化学反应和金属配位效应。然而，快速形成坚韧的水凝胶仍然是一个挑战。受有氧代谢的启发，同济大学王启刚教授团队提出了一种由葡萄糖氧化酶和甘氨酸亚铁催化的组织液触发的级联酶聚合过程，用于丙烯酰化硫酸软骨素和丙烯酰胺的超快速凝胶化。

碳自由基和大分子的高效生产有助于自动加速聚合，用于骨缺损中的软组织增加。共聚物水凝胶证明了软骨的再生促进能力。作为使用人工酶复合物进行原位聚合的第一个例子，这项工作为设计用于生物植入和生物打印应用的强度可调水凝胶提供了一种仿生方法。相关论文以题为Tissue Fluid Triggered Enzyme Polymerization for Ultrafast Gelation and Cartilage Repair发表在《Angewandte Chemie International Edition》上。
主图

示意图1 CS-DMAA 水凝胶的制备示意图。给出了丙烯酰化 CS 和聚 (DMAA) 的分子结构。这种水凝胶通过原位注射和葡萄糖响应水凝胶用作组织填充剂。

图1 (a) CS-DMAA 水凝胶的 SEM 图像。(b) 在流变测试期间 CS-DMAA 水凝胶的时间曲线。(c) 使用前体溶液和葡萄糖溶液作为墨水进行的双通道 3D 打印过程的示意图和摄影图像。

图2 (a) 含有不同浓度 Acryloylated-CS 或 DMAA 的 CS-DMAA 水凝胶的压缩模量。(b) 变形为 20% 的 CS-DMAA 水凝胶的循环压缩曲线。(c) CS-DMAA 水凝胶在循环压缩过程中弹性模量的变化。(d) CS-DMAA 水凝胶在循环压缩过程中的耗散能量。

图3 (a) GOx/Fe[Gly]₂ 和 GOx/Fe²⁺ 在葡萄糖存在下形成的碳自由基的 EPR 谱(b)Fe[Gly]₂、HRP 和氯化血红素在相同反应条件下的酶动力学曲线。(c) Fe[Gly]₂ 作为 HRP 模拟物的 Lineweaver-Burk 图。(d) Fe[Gly]₂ 的拟议催化机制和碳自由基产生机制。

图4 (a) 在水凝胶提取物中培养的软骨细胞的细胞活力超过7天。(b)在 Dulbecco s Modified Eagle 培养基和水凝胶提取物中培养的活/死和 F-肌动蛋白鬼笔环肽染色的软骨细胞的荧光图像。(c) 使用水凝胶进行软骨修复的动物实验示意图。(d) 对照组和治疗组治疗前后髌骨照片。(e) 对照组和治疗组髌骨修复后的显微CT图像。

图5 (a) 蛋白聚糖、胶原蛋白 I 和胶原蛋白 II 的基因表达。(b) HE染色、甲苯胺蓝染色和番红O染色观察的组织切片。

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