高强度水凝胶作为结构生物医用材料的基础研究

结题报告
项目介绍
AI项目解读

基本信息

  • 批准号:
    51733006
  • 项目类别:
    重点项目
  • 资助金额:
    306.0万
  • 负责人:
  • 依托单位:
  • 学科分类:
    E0308.生物医用有机高分子材料
  • 结题年份:
    2022
  • 批准年份:
    2017
  • 项目状态:
    已结题
  • 起止时间:
    2018-01-01 至2022-12-31

项目摘要

Recently,researchers have developed a variety of approaches to fabricate high strength hydrogels. However, they are almost confined to chemical crosslinking and synthetic polymer species; while most of supramolecular hydrogels reported thus far are poor in mechanical properties. In addition, most high strength hydrogels become unstable when exposed in physiological water milieu. All these drawbacks have severely restrained their reliable application as structural biomedical materials. Inspired by the specific effect of multiple hydrogen bonding microdomains from polypeptides in proteins on stabilization of the conformations, we propose to construct novel high strength supramolecular polymer hydrogels based on the multiple hydrogen bonding physical crosslinkage of peptide bonds in the present project. We will investigate the influence of peptide hydrogen bonding on the gelation and physicochemical properties of the hydrogels obtained. The tailored vinyl peptide monomers will be copolymerized with various conventional vinyl monomers to prepare a series of supramolecular copolymer hydrogels, and the feasibility of peptide monomers as a universal mechanical enhancer is explored;we will develop a series of multifunctional bioinks for 3D printing. Last but not least, we will expand the peptide hydrogen bonging reinforcement to natural biopolymers to fabricate high strength natural macromolecular hydrogels. Their mechanical features, biodegradability and biocompatibility will be examined. The high strength hydrogel scaffolds tailored by 3D printing technique are primarily tested for the substitute and reconstruction of the load-bearing menisci and articular cartilages. This project offers a unique concept to design and construct high strength hydrogels, thus pointing out a novel strategy to treat the degenerated load-bearing menisci and cartilages.
近年来,研究者提出了众多制备高强度水凝胶的方法,但基本是限于化学交联和合成高分子,而现有的超分子水凝胶大多数力学性能较弱。此外,大多数高强度水凝胶在生理水环境会进一步溶胀,致使性能变得不稳定。这些缺点极大地限制了高强度水凝胶作为结构生物医用材料的应用。受蛋白质中的多肽氢键微区对构象稳定作用的启发,本项目拟创建基于肽键间多重氢键物理交联的高强度超分子聚合物水凝胶,探索肽键氢键对凝胶物化性能的影响规律;将乙烯基肽键单体与一系列单体共聚,探究肽键单体作为力学增强因子的普适性,发展一系列具有多种功能的生物墨水;将肽键氢键作用拓展至天然高分子中,研制高强度天然高分子水凝胶,考察高强度天然高分子凝胶的力学特征、降解性和生物相容性;重点探讨以3D打印技术定制的高强度水凝胶支架用于半月板和关节软骨承载组织的替代和修复。本课题将为创制高强度水凝胶提供独特的设计理念,为受损的承载软支撑组织提供新的策略。

结项摘要

本课题针对传统水凝胶力学性能差,已报道高强凝胶体系在水环境中不稳定,无法用于受损承载组织替代/修复的问题,研制了一系列氢键增强型高强度生物医用高分子水凝胶,取得了如下成果:(1)构建了一系列多重氢键增强超分子聚合物高强度水凝胶,考察了“超支化结构”以及“改变侧基结构”对超分子聚合物水凝胶力学性能的影响;提出了以氢键单体—N-丙烯酰基脲胺(NASC)和N-丙烯酰基甘氨酰胺(NAGA)作为“力学增强因子”,通过与其他单体进行共聚,通用便捷地构建高强度水凝胶的新方法,并基于此方法,构建了多种高强度超分子聚合物水凝胶;值得一提的是,PNASC水凝胶杨氏模量达100 MPa,可媲美半月板环向模量(2)通过天然高分子及其衍生物增稠以及利用超分子共聚物水凝胶温度响应性等方法,发展了可用于挤出打印高强度水凝胶的墨水体系;提出自增稠自增强策略以及凝胶微颗粒自增稠策略,设计合成了可用于挤出打印耐溶胀高强度PNAGA水凝胶和生理环境稳定高模量PNASC水凝胶的墨水体系;(3)借助于3D打印技术,构建出一系列几何形状与半月板匹配的PNAGA和PNASC高强度水凝胶基半月板支架,并验证其作为半月板替代物保护关节软骨的作用;(4)借助于3D打印技术,构建了梯度杂化高强度水凝胶双层支架,并验证其在促进骨-软骨一体化修复方面的功能;构建了仿生双层人工骨膜,并验证其在促进颅骨修复方面的适用性;(5)提出了一种通过浸泡茶多酚溶液,改善天然高分子基水凝胶力学性能的普适方法。除高强度水凝胶体系外,本课题还构建了具有不同侧基结构的氢键交联水凝胶体系,并探索了其在黏合剂以及术后防黏连方面的应用。

项目成果

期刊论文数量(40)
专著数量(0)
科研奖励数量(1)
会议论文数量(0)
专利数量(8)
Amino Acid Surfactant-Induced Superfast Gelation of Silk Fibroin for Treating Noncompressible Hemorrhage
氨基酸表面活性剂诱导丝素蛋白超快速凝胶化治疗不可压缩性出血
  • DOI:
    10.1002/adfm.202207349
  • 发表时间:
    2022-08-26
  • 期刊:
    ADVANCED FUNCTIONAL MATERIALS
  • 影响因子:
    19
  • 作者:
    Bian, Xinyu;Cui, Chunyan;Liu, Wenguang
  • 通讯作者:
    Liu, Wenguang
Turning Things Around: From Cationic/Anionic Complexation-Induced Nanoemulsion Instability to Toughen Water Resistant Waterborne Polyurethanes
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  • DOI:
    --
  • 发表时间:
    2022
  • 期刊:
    Journal of Materials Chemistry A
  • 影响因子:
    11.9
  • 作者:
    Yao Yuan;Xiao Meng;Liu Wenguang
  • 通讯作者:
    Liu Wenguang
A Mechanically Robust, Stiff, and Tough Hyperbranched Supramolecular Polymer Hydrogel
机械坚固、坚硬且坚韧的超支化超分子聚合物水凝胶
  • DOI:
    10.1002/marc.201800819
  • 发表时间:
    2019-03-01
  • 期刊:
    MACROMOLECULAR RAPID COMMUNICATIONS
  • 影响因子:
    4.6
  • 作者:
    Li, Jia;Yang, Jianhai;Liu, Wenguang
  • 通讯作者:
    Liu, Wenguang
Stiffness Self-Tuned Shape Memory Hydrogels for Embolization of Aneurysm
用于动脉瘤栓塞的硬度自调节形状记忆水凝胶
  • DOI:
    10.1002/adfm.201910197
  • 发表时间:
    2020-04-07
  • 期刊:
    ADVANCED FUNCTIONAL MATERIALS
  • 影响因子:
    19
  • 作者:
    Liu, Bo;Xu, Ziyang;Liu, Wenguang
  • 通讯作者:
    Liu, Wenguang
Polymer Pressure-Sensitive Adhesive with A Temperature-Insensitive Loss Factor Operating Under Water and Oil
聚合物压敏粘合剂,具有对温度不敏感的损耗因子,可在水和油下工作
  • DOI:
    10.1002/adfm.202104296
  • 发表时间:
    2021-09-01
  • 期刊:
    ADVANCED FUNCTIONAL MATERIALS
  • 影响因子:
    19
  • 作者:
    Wang, Yan-Jie;He, Yang;Liu, Wenguang
  • 通讯作者:
    Liu, Wenguang

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AI项目解读示例

课题项目:调控A型流感病毒诱导IFN-β表达的机制研究

AI项目摘要:

本研究聚焦于TRIM2蛋白在A型流感病毒诱导的IFN-β表达中的调控机制。A型流感病毒是全球性健康问题,其感染可导致严重的呼吸道疾病。IFN-β作为关键的抗病毒因子,其表达水平对抗病毒防御至关重要。然而,TRIM2如何调控IFN-β的表达尚未明确。本研究假设TRIM2通过与病毒RNA或宿主因子相互作用,影响IFN-β的产生。我们将采用分子生物学、细胞生物学和免疫学方法,探索TRIM2与A型流感病毒诱导IFN-β表达的关系。预期结果将揭示TRIM2在抗病毒免疫反应中的作用,为开发新的抗病毒策略提供理论基础。该研究对理解宿主抗病毒机制具有重要科学意义,并可能对临床治疗流感病毒感染提供新的视角。

AI项目思路:

科学问题:TRIM2如何调控A型流感病毒诱导的IFN-β表达?
前期研究:已有研究表明TRIM2参与抗病毒反应,但其具体机制尚不明确。
研究创新点:本研究将深入探讨TRIM2在IFN-β表达中的直接作用机制。
技术路线:包括病毒学、分子生物学、细胞培养和免疫检测技术。
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AI技术路线图

        graph TD
          A[研究起始] --> B[文献回顾与假设提出]
          B --> C[实验设计与方法学准备]
          C --> D[A型流感病毒感染模型建立]
          D --> E[TRIM2与病毒RNA相互作用分析]
          E --> F[TRIM2对IFN-β启动子活性的影响]
          F --> G[IFN-β表达水平测定]
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          H --> I[数据收集与分析]
          I --> J[结果解释与科学验证]
          J --> K[研究结论与未来方向]
          K --> L[研究结束]
      
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