应用多价生物配体构建具有内源刺激响应性的动态生物表面

It is one of the key issues for biomaterials to construct dynamic bioactive surfaces using synthetic materials, aiming at regulation of the interactions between bioactive molecules and material surfaces for modulation of various cellular behaviors on the surfaces. In this project, we intend to carry out an investigation on the design of a β-cyclodextrin-based multivalent cell ligand (CD-L) for the construction of dynamic bioactive surfaces to regulate cellular behaviors using sugar as an endogenous stimulus. CD-L can mimic the “multivalent effect” in biological system to exhibit stronger affinity and specificity to cells. Moreover, the 1,2-diol structure of CD-L can form sugar-responsive dynamic covalent bonds with phenylboronic acid, facilitating the dynamic binding/dissociation of CD-L on the surfaces containing phenylboronic acid groups, and thus realizing the regulation of cellular behaviors using sugar as stimulus. We will systematically investigate the binding properties of CD-L on the surfaces as well as the dissociating properties of CD-L molecules from the surfaces with the addition of sugars, and further explore the influence of the binding/dissociation of CD-L molecules on the attachment/detachment of cells on the surfaces and establish the related relationship. We expect that this project can deepen the understanding of the dynamic interaction in the biological system, and provide new ideas and methods for the construction of dynamic bioactive surfaces.

利用合成材料构建动态生物表面，用于调控生物配体分子与材料表面之间的相互作用，并以此介导细胞在材料表面的各种行为，是生物材料研究的一个关键问题。本项目拟开展设计合成基于β-环糊精的多价细胞配体（CD-L），应用糖分子这一内源性刺激，构建能够响应性调控细胞行为的动态生物表面的研究。CD-L分子能够模拟生物体系的“多价效应”，表现出更强的细胞亲和力和特异性；同时CD-L的顺式二醇结构能够与苯硼酸基团形成具有糖分子响应的动态共价键，使其能够在含苯硼酸基团的表面动态地结合/解离，进而实现应用糖分子作为刺激源对细胞行为进行无损调控。本研究将系统考察CD-L在表面的结合性能，以及在外加糖分子的刺激下的解离性能，进而探索CD-L的结合/解离对表面细胞黏附/脱附行为的影响及潜在的调控作用规律。本项目的完成不仅能加深对生物体系中动态相互作用的理解，同时也能为动态生物表面体系的构建提供新的思路和方法。

在自然界中，生命体逐渐形成了具有响应性的动态表面体系，并以此实现不同的生理功能。利用合成材料模拟生物体表面的动态特性，构建生物活性可响应性改变的动态生物表面，用于调控生物配体分子（如蛋白质、多糖、核酸等）与材料表面之间的相互作用，并以此介导细胞在材料表面的各种行为，具有重要的理论研究价值和实际应用潜力。而传统的动态生物表面在其构建方式、功能响应机制、以及表面生物功能的实现等方面仍存在一些亟待解决的问题及挑战。针对这些问题，本项目提出了应用多价生物配体构建具有内源刺激响应性的动态生物表面的研究。利用苯硼酸基团与顺式1,2-二醇之间的可逆共价作用，构建了一系列具有内源刺激响应性的动态生物表面；系统考察了含苯硼酸基团的聚合物的物理化学性质对改性表面性质的影响以及不同环境条件下表面性质的变化，通过多种生物学表征手段考察了这些表面与蛋白质及细菌、细胞之间的相互作用；利用表面具有的响应性生物活性的特点，探索了这些表面在蛋白质识别、细胞工程化、抗菌/抗生物被膜领域的应用。本项目研究成果共发表SCI论文18篇，申请国家发明专利2项，这些成果加深了对生物体系中动态相互作用的理解，同时也能够设计具有特定功能的新型动态生物表面，进而实现精确调控生物表界面行为提供实验依据和理论指导。