胶原基生物材料的孔隙结构对其性能有显著影响。孔隙结构可由交联来调节，但少有研究关注交联剂结构特性对胶原基质多孔性能的调控机制。四川大学轻工学院王亚楠教授与新西兰皮革和制鞋研究协会（LASRA）Sujay Prabakar教授联合团队通过改变羧甲基纤维素钠的取代度，制备了一系列尺寸相似但醛基含量不同的双醛羧甲基纤维素钠（DCMC），并将其用于胶原基质的交联，实现了对胶原基生物材料孔隙结构的有效调控（图1）。该工作以“Effect of dialdehyde carboxymethyl cellulose crosslinking on the porous structure of collagen matrix”为题发表在Biomacromolecules上，博士研究生易玉丹为第一作者，王亚楠教授及Sujay Prabakar教授为通讯作者。
图1. DCMC交联对胶原基生物材料孔隙结构的可控调节
双醛多糖因其高反应性、低细胞毒性和优异的生物相容性，可被用作胶原基生物材料的绿色交联剂。现有研究重点关注交联后胶原基材料在生物医学领域的应用性能，却极少研究交联剂结构对材料微观结构和多孔性能的影响规律。事实上，胶原基材料的孔隙结构与其细胞粘附、增殖、迁移、透水汽及物质交换等性能密切相关。天然胶原基质（如皮肤）具有由三螺旋状胶原分子、微原纤维、原纤维、纤维和纤维束等逐级自组装而成的精巧多层级结构，这也赋予了其多级孔隙结构，而化学交联能够极大改变该结构（图2）。
图2. DCMC交联前后胶原多层级结构的变化
基于此，作者以不同取代度（DS：0.7、0.9、1.2）的羧甲基纤维素钠为原料，用高碘酸钠氧化法制备了一系列尺寸相似但醛基含量不同的DCMC交联剂，并将其用于胶原基质的交联。随着DS的降低，DCMC的醛基含量增加，其与胶原基质的交联程度（包括共价交联及非共价交联）提高，原纤维D周期减小（图3）。同时，胶原基质的总孔隙率（图4）、孔容和Φ > 10 μm的大孔占比（图5）也显著升高。其原因是DCMC具有纳米级尺寸，可以渗透到胶原基质的原纤维层级内，利用自身高反应活性的醛基，与胶原氨基形成分子间/原纤维内的化学交联，使得原纤维之内/之间的间隙减小，而纤维之间的间隙增大（图2）。
图3. DCMC交联前后胶原基质的（a）热稳定性、（b）同步辐射SAXS散射强度、（c）同步辐射SAXS散射强度谱图中5~3阶峰的相对强度（R5/3）和6~5阶峰的相对强度（R6/5）、（d）D-周期（由SAXS散射强度谱图分析所得）、（e）横截面的FESEM图像（×50,000）
图4. DCMC交联前后胶原基质的（a）横截面的FESEM图像（×200）、（b）显微CT图像及显微CT评估程序(V6.6)计算的孔隙率
上述结果证明，通过改变DCMC交联剂的结构，调节其在胶原基质各层级中的渗透和交联，能够有效调控胶原基材料的微观孔隙结构。该调控机制的建立可为相应生物材料的制备提供指导。
论文信息：Yi Yudan, Zhang Yi, Mansel Bradley, Wang Ya-nan*, Prabakar Sujay*, Shi Bi. Effect of dialdehyde carboxymethyl cellulose cross-linking on the porous structure of the collagen matrix. Biomacromolecules, 2022, 23(4): 1723?1732.
原文链接：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.biomac.1c01641
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