异源胶原的“杂化”纤维重组——现象、分子学机制与新颖材料设计

The hybrid fibrillogenesis of heterogeneous collagens in vitro (HFHC), a newly discovered biological molecular behavior, can adjust the properties of the collagen based materials by changing the structure of collagen fibrils, which has important application value. At present, the research about the HFHC is not deep enough. So, in this project the research contents include the phenomenon verification, the molecular mechanism analysis of this biological molecular behavior and novel materials design based on HFHC. In the research of phenomenon verification of HFHC, the apparent evidences of HFHC can be obtained by exploring the difference in dynamic behavior of fibrosis, fibrils structure and properties of collagens mixture from different sources. The ocular proof of HFHC can be obtained by fluorescence resonance energy transfer (FRET) analysis, electron microscope observation and SAXS analysis. At the same time, the molecular mechanism analysis of HFHC can be executed by the method of terminal peptide adjusting and mathematical model constructing. Further more, the correlation analysis between adjusting factors of HFHC and the properties of collagen fibrils would be researched in the part of adjusting of HFHC of this project. At last, the HFHC would be used to design new collagen based materials which have special properties and structure.

作为一种新发现的生物分子行为，异源胶原间的“杂化”纤维重组，可以从纤维分子构造的层面实现对胶原材料性能的根本性调控而具有重要应用价值。目前，围绕这一分子行为的基础研究尚远未深入。基于此，项目将开展包括从现象验证、分子学机制解析到新颖胶原基生物材料设计的系统研究，为这一生物分子行为的阐释和应用提供理论基础。在现象验证中，通过探查异源共混体系中胶原在纤维化动力学行为、产物构造和产物性能上的差异化表现，提供“杂化”纤维重组的表观证据；采用荧光共振能量转移、电镜观测和SAXS分析呈现“杂化”纤维重组的直观证据。同时，通过端肽调控和构建数学模型的方法开展胶原“杂化”纤维重组的分子学机制解析。更进一步，围绕异源胶原“杂化”纤维重组调控，开展调控因子与纤维化产物性能的耦合关联性研究并探索具有特异性能和构造的新颖胶原基生物材料的构建方法和思路。

本项目针对异源胶原体外“杂化”纤维重组这一新发现的生物分子行为，聚焦该生物分子行为的实验现象补充与确凿实验证据的捕获，同步开展其分子学机制的解析。以此为基础，尝试利用不同来源胶原在结构和性能上的差异性，通过胶原配伍、外环境干预、分步重组和结构重建等调控手段，设计新颖胶原材料，挖掘纤维重组调控与材料性能之间的内在关联机制，为新兴胶原资源的开发利用以及新颖胶原基材料设计提供理论基础。项目的预期研究内容顺利完成，较好的达成了研究目标。一是从组装动力学行为、组装产物结构、性能等多个维度完整呈现了异源胶原体外“杂化”纤维重组的实验学现象；二是建立了基于双荧光标记和石墨烯介导的荧光淬灭观察、量化“杂化”纤维重组的实验方法，在补充实验方法学的基础上直观验证了这种特异性分子行为；三是从胶原分子端肽完整性、氨基酸组成与分布两个层面，初步阐释了胶原结构与“杂化”纤维重组参与率、产物构造性能之间的内在关联；四是运用基础研究获取的现象、理论和机制，成功设计并创制了胶原生物凝胶的质构调控技术、具有定向诱导细胞增殖、迁移功能的核-壳构造胶原纤维材料和具有生物环境自适应能力的孔隙可调胶原海绵材料。在项目研究期，总计发表论文18篇，其中SCI收录论文17篇，申请发明专利12项，授权专利4项。项目研究工作对推进天然胶原分子行为和机制的认知具有科学意义，项目形成的胶原基凝胶性能调控技术、复合胶原纤维与孔隙可调胶原海绵的制备技术，对于提高胶原生物材料的产品性能、拓展应用领域均具有较好的实践指导和应用价值。