基于仿生酶促与Schiff-Base共价协同交联-诱导聚集的功能性TT-Col水凝胶的构建及调控

In view of the current problems of poor mechanical properties and thermal stability, improper biodegradability and few functions of collagen hydrogels, this project abandons the conventional dermal collagen molecules as the raw material, and focuses on the preparation of different structural levels of collagen bulk materials using acellular dermal matrix as the substrate, and hierarchical controllable degradation technology and in vitro molecular self-assembly technology as the extraction methods. Meanwhile, the multi-hierarchical structures -function relationships of raw collagen materials would be elucidated to clarify that tissue-mimicking collagen aggregate (TT-Col) could become a new generation of raw collagen material with more comprehensive properties. Furthermore, the functional crosslinking of TT-Col would be carried out using dialdehyde chitosan quaternary ammonium salt (Schiff-Base reaction) and lysyl oxidase (biomimetic enzymatic reaction) as biological crosslinking agents. From the level of aggregation structure, we explore interaction mechanism and structure-function relationship between the functional crosslinkers and TT-Col, and then establish a dual interaction mode of crosslinking and inducing aggregation. Finally, based on the reactions of Schiff-base and biomimetic enzymatic covalent cross-linking-inducing aggregation, the methods to control the three-dimensional microstructure and properties of the objective TT-Col hydrogel with antibacterial and high-strength properties would be successfully accomplished. Therefore, the implementation of this project is expected to provide theoretical support and academic basis of biomedical materials based on TT-Col.

针对目前胶原水凝胶存在的力学性能与热稳定性较差、生物降解性不适配及胶原本体功能单一的问题，本项目摒弃常规以皮胶原分子为原料的研究思路，重点研究以脱细胞真皮基质为底物，采用层次可控降解技术、体外分子自组装技术制备不同结构层级胶原体，阐明胶原体层级结构与性能的构效关系，明确类组织胶原聚集体（TT-Col）可成为新一代综合性能更为突出的胶原体原材料；同时，采用双醛壳聚糖季铵盐（Schiff-Base反应）和赖氨酰氧化酶（仿生酶促反应）对TT-Col实施功能化交联赋，从聚集态结构层面，探究二者与TT-Col的相互间分子作用机制及构效关系，并建立二者与TT-Col交联-诱导聚集双重作用模式，最终实现基于仿生酶促与Schiff-Base共价协同交联-诱导聚集双重作用调控目标抗菌型高强度TT-Col水凝胶三维微观结构与性能的方法，为以TT-Col为基材构建生物医学材料的提供理论指导和学术基础。

胶原被公认为是最有开发潜力的天然高分子材料之一。本项目针对目前胶原水凝胶存在的力学机械性能、热稳定性较差、生物降解性不适配及胶原本体功能单一的问题，主要展开了以下工作：. 1. 不同结构层级胶原体的制备及其层级结构-性能间构效关系研究：以无抗原猪真皮基质材料为原料，经浸酸、盐析、层析等步骤制得类组织胶原聚集体（Ag-col）。再以Ag-col为底物，采用酸酶结合法制得可溶性原胶原分子产物（Col），同时以Col为原料，利用体外自组装法制得胶原再生纤维（F-col）。研究结果表明，胶原体结构层级越高，其生物活性、止血性能、热变性温度、力学性能、生物降解性能和透水汽性等关键性能越优越。. 2. 双醛壳聚糖/谷酰胺转氨酶功能交联胶原聚集体研究：项目采用谷酰胺转氨酶对胶原聚集体进行了催化功能交联，证实了谷酰胺转氨酶催化胶原肽链形成分子间和分子内形成-( -谷氨酰) -赖氨酸共价键，且其对胶原自聚集过程有明显促进作用，交联后胶原能较好地促进组织创面愈合。采用选择性氧化法制得双醛壳聚糖，其可有效抑制E. coli和S. aureus的生长。双醛壳聚糖与胶原之间的主要相互作用是席夫碱（Schiff碱）共价交联，且其可促进胶原产生自聚集行为，证实了双醛壳聚糖与胶原聚集体交联-诱导聚集的双重作用模式。. 3. 基于类组织胶原聚集体的抗菌水凝胶的构建及评价：将F-127、以双醛壳聚糖作为还原剂和稳定剂制备的纳米银粒子与Ag-col、PVP有机复合，制得智能型类组织胶原聚集体复合水凝胶（TS-Gel-Ag-col）。该材料在引入交联剂后，力学性能、止血性能生物降解性能、抗菌性能等均得到显著改善，且能快速诱导组织再生修复，新生皮肤结构层次鲜明，无炎症细胞浸润，且能观察到毛囊、皮脂腺等皮肤附属器，与自体皮肤相差无几。. 本项目摒弃常规以胶原分子为原料的研究思路，创新性地以Ag-col为基材，通过协同改性效应，增强/增效胶原本体材料关键性能，丰富了胶原领域相关技术研究，也为我国以类组织胶原聚集体为基材构建生物医学材料的提供理论指导和学术基础。