“胶原-多巴胺”互作模式及其对贻贝仿生胶原水凝胶的调控作用研究

Mussel-inspired adhesive hydrogels based on the interactions between dopamine and polymers have attracted much attention due to their good designability and convenience of operation. Nowadays, most of the researches are concerned with the mechanism between synthetic polymers and dopamine, of which the final hydrogel products are severely lack of biological inductivity. In view of the superior bioactivity and chemical reactivity of collagen, collagen derived from the skin and scale of freshwater fish and dopamine are selected for the research in this project. By using circular dichroism, atomic force microscopy, X-ray electron spectroscopy, thermal analysis and rheometer, the interactions between collagen and dopamine via hydrogen bonding or covalent bonding will be researched. The effect of interaction patterns between collagen and dopamine on collagen’s hierarchical arrangement will be explored, meanwhile the structure integrity and the behavior of molecular self-assembly of collagen during the interaction between collagen and dopamine will be investigated. On the above basis, a novel mussel-inspired collagenous hydrogel is fabricated via modification of the interaction pattern between collagen and dopamine plus the corresponding chemical micro-environment. The relationship between microstructure, molecular interaction and the macro-performance of mussel-inspired collagenous hydrogel will be explored. And the regulatory mechanism of the interaction pattern between collagen and dopamine on the structure and performance of mussel-inspired collagenous hydrogel will also be investigated. In this project, modification of collagen is explored, which may also pave the way for the preparation of a novel mussel-inspired collagenous hydrogel.

基于多巴胺与高分子相互作用的贻贝仿生黏附水凝胶，因其很强的结构可设计性和操作简便性受到广泛关注。目前国内外研究多为合成高分子与多巴胺的反应机制，存在终产物生物诱导作用不足的固有缺陷。鉴于胶原优良的生物活性和化学反应性，本课题拟以淡水鱼皮/鳞胶原和多巴胺为研究对象，采用圆二色谱、原子力显微镜、X射线光电子能谱、热分析和流变仪等技术，研究“胶原-多巴胺”基于氢键或共价键结合的互作模式，探索其对胶原多层级结构的影响机制，剖析胶原-多巴胺互作模式对胶原螺旋链构象稳定性和分子聚集、组装行为变化的作用规律，在此基础上，通过变换“胶原-多巴胺”结合作用力及化学微环境构建新型贻贝仿生胶原水凝胶，建立微观结构与分子相互作用和水凝胶宏观性能之间的内在联系，阐明胶原-多巴胺互作模式对水凝胶结构与性能的调控作用及规律，这既是探索胶原的化学改性，又可望为具有生物诱导作用的贻贝仿生胶原水凝胶的可控制备提供理论基础。

本项目针对胶原与多巴胺的分子结构特点，成功构建了兼具优异生物诱导作用和适宜黏附性能的贻贝仿生黏附水凝胶材料。（1）首先，系统比较了“酸-酸法”所提胶原（ASC）和“酶-酶法”所提胶原（PSC）的螺旋结构、自组装行为、凝胶性能和得率情况，通过数学拟合方程很好预测了ASC和PSC在相应温度下的凝胶时间，并可得到不同阶段的胶原组装体，为后续两者相互作用奠定了基础。（2）同时，明确了胶原与多巴胺基于价键作用模式下的主要作用基团位点，并成功构建了基于氢键或共价键作用的贻贝仿生胶原水凝胶。在基于氢键作用的胶原-多巴胺水凝胶中，多巴胺的酚羟基基团与胶原主链酰胺基中的N-H基团相互作用对维持水凝胶的稳定性和黏附性起主导作用；在基于共价键制备的水凝胶中，胶原纤维侧链氨基（-NH2）主要与醛基化海藻酸钠（ADA）的醛基发生席夫碱（-C=N）反应，胶原纤维主链酰胺基中的N-H与多巴胺酚羟基（-OH）间可发生直接的氢键反应，亦可以通过ADA的共价交联作用与胶原纤维间接发生相互作用，且共价键结合的方式对于水凝胶理化稳定性的维持起主导作用；ADA交联对终产物的黏附性能无显著影响，但对水凝胶的理化稳定性和耐酶解性能有较大提升。（3）解析了不同作用模式下胶原链构象及多层级结构的变化规律，多巴胺和ADA的引入并未导致胶原链解旋。在基于氢键作用模式下，多巴胺对胶原分子的组装行为呈现一定程度的量效关系，在低浓度下，多巴胺与胶原分子形成的氢键作用阻碍了胶原分子的组装行为，而在较高浓度下，多巴胺自身苯环的强烈疏水作用则促进了胶原分子的组装行为；在基于共价键作用模式下，ADA交联增强了胶原-多巴胺溶液的假塑性、触变特性和弹性，共价键作用有力提升了胶原分子组装为多层级结构的有效程度。（4）在本项目执行期间，以第一或通讯作者发表学术论文12篇，其中SCI收录论文7篇（1区期刊3篇，2区期刊2篇 ，ESI引用前3%论文1篇），北大中文核心期刊5篇，申请中国发明专利4项（授权1项）。