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?基于LB膜技術(shù)的仿生膠原膜模塊化組裝方法
來源:四川大學(xué) 李國(guó)英 劉思聰 張曉霞 瀏覽 49 次 發(fā)布時(shí)間:2025-10-13
引言
各向異性微結(jié)構(gòu)在生物系統(tǒng)中廣泛存在,如肌肉、皮膚和軟骨等,這些結(jié)構(gòu)賦予材料特定的功能特性。仿生各向異性材料的制備在組織工程、傳感器和藥物遞送等領(lǐng)域具有廣闊應(yīng)用前景。膠原蛋白作為動(dòng)物結(jié)締組織的主要結(jié)構(gòu)蛋白,因其優(yōu)異的生物相容性和可降解性,成為理想的生物材料。然而,傳統(tǒng)方法(如靜電紡絲、磁場(chǎng)輔助等)制備的膠原纖維往往缺乏天然膠原的67 nm D周期結(jié)構(gòu),且取向控制不足。
Langmuir-Blodgett(LB)技術(shù)是一種先進(jìn)的單分子膜制備技術(shù),可通過界面自組裝精確控制分子排列。本研究開發(fā)了一種基于LB技術(shù)的模塊化組裝方法,能夠制備具有天然67 nm D周期結(jié)構(gòu)的高度各向異性膠原膜,為仿生材料設(shè)計(jì)提供了新策略。
方法
1.膠原溶液的配置
?原料選擇:采用動(dòng)物源膠原蛋白(如牛跟腱或鼠尾膠原),溶解于醋酸溶液(0.1 mol/L)中。
?溶液優(yōu)化:添加異丙醇等有機(jī)溶劑,調(diào)節(jié)pH至5–9,確保膠原聚集體平均粒徑≤2000 nm,濃度范圍為0.1–0.7 mg/mL。
?關(guān)鍵參數(shù):低溫(4°C)攪拌8小時(shí),避免膠原變性。
2.LB膜制備
?儀器:使用JML04型LB膜分析儀(或其他兼容設(shè)備),其精準(zhǔn)的表面壓控制和滑障系統(tǒng)是關(guān)鍵。
?亞相條件:
?金屬離子溶液(如Na?或Ca2?),離子強(qiáng)度0.2–0.5。
?溫度控制為24–30°C,pH 5–9。
?成膜過程:
1.將500–1500μL膠原溶液均勻滴加于亞相表面。
2.靜置至膜壓平衡后,以1–10 cm/min速度壓縮滑障。
3.當(dāng)表面積達(dá)10–20 cm2時(shí)停止壓縮,維持表面壓10–30 mN/m。
3.模塊化組裝
?轉(zhuǎn)移技術(shù):采用豎直拉提法,提拉速度1–10 mm/min,將膠原單層轉(zhuǎn)移至基片(如硅片或云母片)。
?疊層設(shè)計(jì):
?單軸取向:保持基片方向不變,疊加3–5層(用于皮膚敷料)或10–15層(用于角膜組織工程)。
?3D各向異性:交替旋轉(zhuǎn)基片90°,疊加15–20層(模擬肌腱結(jié)構(gòu))。
?后處理:去離子水洗凈后真空干燥,必要時(shí)進(jìn)行輻照滅菌。
結(jié)果與討論
結(jié)構(gòu)表征
?AFM分析:如實(shí)施例5所示,膠原纖維呈現(xiàn)有序定向排列(圖2),高分辨率圖像清晰顯示67 nm D周期節(jié)狀結(jié)構(gòu)(圖3–4),證實(shí)天然自組裝成功。
?取向度:在優(yōu)化條件(亞相溫度25°C、離子強(qiáng)度0.3)下,纖維取向度高達(dá)90%以上(表1–2)。
?對(duì)比實(shí)驗(yàn):亞相溫度過高(>30°C)或離子強(qiáng)度過低(<0.2)會(huì)導(dǎo)致纖維排列混亂(對(duì)比例1–4),超純水亞相則無法形成D周期結(jié)構(gòu)(對(duì)比例5)。
技術(shù)優(yōu)勢(shì)
1.生物相容性:全程低溫操作(<30°C),保留膠原三股螺旋結(jié)構(gòu),重金屬含量≤10 mg/kg。
2.精準(zhǔn)調(diào)控:LB技術(shù)通過界面壓力與分子自組裝耦合,實(shí)現(xiàn)纖維取向和周期結(jié)構(gòu)的同步控制。
3.模塊化設(shè)計(jì):通過調(diào)整疊層角度和層數(shù),可定制各向異性結(jié)構(gòu),模擬天然組織。
結(jié)論
本研究建立的LB技術(shù)模塊化組裝方法,能夠高效制備具有天然67 nm D周期結(jié)構(gòu)的各向異性膠原膜。該方法條件溫和、重復(fù)性好,在組織工程和生物傳感器領(lǐng)域具有廣泛應(yīng)用潛力。LB膜分析儀的核心作用體現(xiàn)在其精準(zhǔn)的表面壓控制和轉(zhuǎn)移能力,為仿生材料研究提供了關(guān)鍵工具。
技術(shù)文章:LB膜分析儀在膠原仿生材料中的應(yīng)用
LB技術(shù)通過調(diào)控分子界面行為,可實(shí)現(xiàn)納米級(jí)精度的薄膜組裝。本公司LB膜分析儀具備高精度滑障系統(tǒng)、溫控模塊和自定義參數(shù)設(shè)置,特別適用于膠原等生物大分子的有序組裝。用戶可通過調(diào)節(jié)表面壓、提拉速度和亞相組成,實(shí)現(xiàn)從單層到3D結(jié)構(gòu)的可控制備。此外,儀器兼容多種基片(如硅片、聚合物膜),滿足不同應(yīng)用場(chǎng)景需求。
應(yīng)用案例:
?皮膚再生:?jiǎn)屋S取向膠原膜引導(dǎo)成纖維細(xì)胞定向生長(zhǎng)。
?藥物篩選:各向異性膜作為細(xì)胞培養(yǎng)支架,模擬體內(nèi)微環(huán)境。
?基礎(chǔ)研究:研究膠原自組裝動(dòng)力學(xué)及分子相互作用。
歡迎聯(lián)系我司獲取LB膜分析儀的詳細(xì)技術(shù)參數(shù)和定制方案。
參考文獻(xiàn)
[1]Wakuda Y,et al.Scientific Reports,2018.
[2]Antman-Passig M,et al.Nano Letters,2016.
本文基于專利CN115137882A改寫,數(shù)據(jù)來源于實(shí)施例。