外延生长法构建介孔-大孔多功能靶向型三维细胞支架

Functional 3D cell scaffolds are able to promote the growth and proliferation of cells to a much greater extent. However, their application is severely limited by the lack of selective substrates, targeting ability and their single-function nature on drug loading. Based on the experience of fabricating mesoporous silica composites, this research attempts to apply the confinement effect of the nanopores on the design and preparation of the 3D cell scaffolds materials by using epitaxial growth method. The soft polymer nanotube will be combined with rigid mesoporous silica, to obtain mesoporous-macroporous, silica-polymer 3D cell scaffolds with specific morphology. The 3D cell scaffolds will then be applied to vascular repair. Selected two medicines, growth factor and heparin with different sizes and functions, will be loaded into the 3D cell scaffolds, to investigat the new applications of polymer nanotubes and mesoporous silica in the field of biomedications, offering the solid theoretical basis for the development of new micro therapeutic apparatus.

功能性三维细胞支架对细胞生长、增殖有很大的促进作用，现有的构成细胞支架的微纳材料因其基材选择性少、缺乏靶向性、载药功能单一等缺陷使其应用受到限制。申请者基于介孔材料研究背景，尝试使用外延生长法将纳米孔道限域效应引入至三维细胞支架的研制新技术中，将孔结构丰富可调的刚性介孔材料与基材选择多样的柔性高分子微纳米管相结合，得到具有介孔-大孔分级结构的多功能三维细胞支架材料，并将其应用至血管修复工程，可望改善目前三维细胞支架存在的缺陷。通过调节合成条件，设计出适于两种目标药物分子的纳米孔道结构，并将肝素、血管内皮生长因子装载至介孔-大孔三维细胞支架中，构筑多功能靶向型三维细胞支架，开拓高分子微纳米管与介孔材料在生物医学领域的新应用。此类介孔-大孔微纳米管的构建可望为新型三维细胞支架材料的制备提供理论支持和材料基础。

三维环境更能模拟细胞真实生长环境，因此三维细胞支架的构建具有重要意义。2017年1月至2019年12月，我们在国家自然科学基金的资助下，选定介孔二氧化硅为主体物质，通过两条技术路线进行了研究。在研制高分子微纳米管/介孔二氧化硅复合材料方面：使用“外延生长”技术在聚苯乙烯微纳米管外侧外延生长出具有规整介孔结构的聚苯乙烯/介孔二氧化硅纳米管，并尝试研究了该复合材料对细胞增殖的影响。在研制介孔二氧化硅微纳米管三维细胞支架方面：我们选择简便可控的聚碳酸酯“硬模板法”成功合成出具有介孔-大孔结构的介孔二氧化硅微纳米管，并选用具有抗凝血特性的肝素和具有促进内皮细胞生长的内皮细胞生长因子为探针药物分子，研究了氨基修饰后的介孔二氧化硅纳米管对两种药物的同时装载性能；随后我们对管状大孔结构修饰改进，因单纯管状结构缺乏对大分子药物的适当“限域”导致药物释放速度过快，我们在管状大孔结构中形成具有“柱塞结构”的介孔二氧化硅微纳米管，以延长对大分子药物的释放时间。特别地，我们构建了具有自主运动能力的介孔-大孔二氧化硅微纳米马达，在管腔内原位生长金纳米粒子形成不对称结构，在近红外光照射下能够运动，这种运动能力可望促进微纳米马达在血管破损处（如粥样硬化斑块处）的渗透，增加药物滞留效率。选用具有促进内皮细胞生长的内皮细胞生长因子和具有抑制平滑肌细胞增殖的紫杉醇为药物探针分子，并修饰靶向炎症内皮细胞的抗体，结果表明生长因子释放时间可达4天左右，而抗增殖药物释放可持续30天以上，且可以更有效地靶向炎症部位并渗透至巨噬细胞并实现消融巨噬细胞和减少内膜增生的效果，为动脉粥样硬化的治疗提供新思路。.项目计划任务完成，三年内发表SCI学术论文8篇（项目负责人为第一作者或通讯联系人），其中包括Angewandte Chemie International Edition一篇， Nature Communications一篇， ACS Applied Materials and Interfaces 一篇。培养研究生4名，其中已经毕业博士生2名和硕士生2名。