生命系統的特徵是形狀多樣。從球形HIV病毒到桿狀菸草花葉病毒，星狀細菌和多形細胞，已知形態可以賦予基於特定功能的進化優勢，例如與表面的相互作用，被動擴散和主動運動。為了模擬自然生物體的組成，科學家們設計了各種各樣的納米粒子，從碳聚合物到無機或金屬材料。然而，從自然世界到合成世界，球形納米顆粒幾乎代表了被廣泛研究的唯一形態，其用途廣泛：從藥物輸送，防汙和抗菌劑，到納米複合材料，納米結構被封裝在材料中以提高其機械性能和生物學相關性。其背後的主要原因是，製造具有各向異性形狀的合成納米材料具有極大的挑戰性，因此可以精確控制聚合物納米粒子的物理化學性質（如形狀，尺寸和表面化學性質）的技術為根據需要的應用定製這些納米結構提供了可能。英國伯明翰大學Rachel K. O’Reilly教授長期從事於將聚合物的超分子組裝成為精密的納米結構的研究，他們創造性的提出假設-水凝膠材料之間的機械性能和粘附性可以通過整合和調節水凝膠中的納米顆粒的形狀來控制。本文作者尋求通過使用結晶驅動自組裝（CDSA）製備聚合物納米顆粒來探究納米顆粒形狀對材料性能的影響。該方法允許對納米粒子的直徑，形態和表面化學進行高度控制，然後將納米顆粒將海藻酸鈣水凝膠混合，探究了當不同形態的納米粒子混入後對水凝膠表面之間的粘附力和材料的機械強度以及生物相容性的影響。
具體步驟：
1、PLLA35的納米顆粒的製備
如圖1所示，聚（L-丙交酯）基嵌段共聚物(PLLA)被利用製備成球形，圓柱形以及片狀的納米顆粒。通過使用結晶驅動自組裝（CDSA）化學方法獲得不同形態的納米顆粒為基於顆粒形狀去研究納米結構性能打開了大門。假設不同的納米顆粒形態具有不同的親和力和影響交聯的能力，本文試圖研究藻酸鹽凝膠的兩個剛切開的切口部分之間的粘合能是否取決於用作粘合劑的納米顆粒的形狀。
圖1:不同形態的納米粒子的透射電鏡圖。
2、使用不同形態的基於PLLA35的納米顆粒粘合的海藻酸鈣水凝膠塊的粘合特性。
通過將藻酸鹽（1.5 wt％），碳酸鈣和D-葡萄糖酸-δ-內酯（GDL）混合在一起而製備的鈣藻酸鹽水凝膠被選為優選的水凝膠材料，然後將季銨化的（正電荷）納米片在水中分散後用作粘合劑將兩個海藻酸鈣水凝膠塊粘合在一起。將一滴10 µL的納米片溶液以膠水的形式鋪展在水凝膠表面（約5 mm×10 mm）上，並將另一塊水凝膠置於頂部（圖2a-d）。抬起頂塊在10分鐘內觀察到兩塊水凝膠粘附在一起。以相同的方式粘貼其他的水凝膠塊以形成一個橋，該橋足夠牢固以在水平懸掛在兩個立柱之間或垂直懸掛在一根針上（圖2b）。當單獨使用海藻酸鈣凝膠或使用水或季銨化的均聚物溶液作為膠水替代品時，觀察到的粘合力可忽略不計，這表明在界面處存在季銨化的片狀納米顆粒是觀察到的水凝膠之間存在粘合性的原因。為了進一步探討這一點，本文評估了尺寸和表面電荷對納米片粘附特性的影響（圖2f，g）。首先，比較了小（372 nm（長）××223 nm（寬）），中（893×528 nm）和大（1700×993 nm）片狀納米粒子，與中大尺寸相比，小納米片顯示出更高的粘附強度（圖2f）。我們推測，這種與尺寸有關的行為是小納米片既位於凝膠表面輪廓上又彼此不相互作用以形成比大納米片更好的粘合層的能力的結果，而大尺寸的納米片傾向於彼此重疊，從而限制了它們與凝膠表面的相互作用。並且電荷也是重要的影響因素，如圖2g所示，與陰離子，兩性離子和中性納米片相比，
季銨化正電荷納米片提供了更高的粘附能，這可能是由於它們與水凝膠遊離的藻酸鹽基團更強的相互作用所致。
圖2，海藻酸鈣水凝膠的粘合性能表徵。
3 、富含不同形態PLLA35納米顆粒的海藻酸鈣水凝膠的流變特性。
本文接著研究納米顆粒形態是否也可用於調節相關藻酸鹽水凝膠的機械性能。如先前所述製備水凝膠，並通過在室溫下以恆定濃度的鈣摻入各種量的納米片，然後進行流變力學測試以量化凝膠強度。對於所有凝膠，在多次運行中均觀察到寬的線性粘彈性區域和網絡破壞，並且與存儲和損耗模量（分別為G'和G''）的頻率相關。在球形納米顆粒存在下膠凝後，應變相關的旋轉流變學測試表明，在G'和G''的交叉點處的應變略有增加，材料以〜25％的應變範圍內保持膠體狀態。當不使用任何納米顆粒時的斷裂應變約為10％（圖3c，d）。
含有圓柱形膠束的水凝膠的斷裂應變為15％（圖3b，d），與沒有納米顆粒添加劑的凝膠相比，變化很小。這不足為奇，因為預計圓柱狀納米顆粒的拉伸形態與藻酸鹽凝膠的相互作用較少，這是由於每個粒子的表面積較低從而導致較低的斷裂應變。
圖3，富含不同形態PLLA35納米顆粒的海藻酸鈣水凝膠的流變特性。
4、NCs的細胞相容性和組織粘附
為了在組織工程應用中使用增強型和粘附性藻酸鹽水凝膠，我們對生物材料的細胞相容性進行了7天的脂肪來源幹細胞（ASC）3D培養。 3天和7天后，含納米片的海藻酸鈣水凝膠的細胞活力與對照組海藻酸鈣水凝膠相近。沒有觀察到統計學差異，這表明該材料具有高度的細胞相容性（圖4c）。此外，在生理條件下研究了含有納米片水凝膠粘附載有細胞的水凝膠的能力。使用PLLA35-b-PDMAEMA315納米片作為層之間的粘合劑，構建了具有交替層的ASCs凝膠和無細胞凝膠的交替層的構建體。當浸入37°C的細胞培養基中時，水凝膠溶脹後，粘合部位仍保持完整。有趣的是，沒有觀察到從細胞層到無細胞層的細胞遷移（圖4a），這表明我們的系統具有將不同組織密封在一起的潛力，這是確保傷口癒合和組織再生的基本特性。為了進一步研究這種可能性，我們然後將染料標記的軟骨細胞和染料標記的成骨細胞封裝在兩個不同的海藻酸鈣水凝膠塊中，然後使用納米片顆粒將它們粘合在一起，以提供骨軟骨連接的簡單模擬，在7天后未觀察到兩層之間的細胞遷移（圖4b）。這些進展表明，使用納米片顆粒作為粘合劑為利用複雜的組織工程模型的構建提供了一條有希望的途徑，該方法使用藻酸鈣水凝膠來再生不同的組織。最後，還使用牛軟骨組織探索了納米片顆粒凝膠的粘附能力。切下組織並立即用納米片顆粒覆蓋，並保持粘附2小時。然後用搭接剪切試驗測量粘合能，顯示出66±18 kPa的剪切強度，雖然高於天然軟骨組織（433±360 kPa），但仍高於臨床上修復半月板撕裂的最低閾值。
圖4.使用PLLA35-b-PDMAEMA315血小板，海藻酸鈣NCs的細胞相容性和軟骨組織的粘附性。
總結與展望:
本文系統探究了納米顆粒的形狀在定義水凝膠材料的最終性能以及用作膠水時的粘合強度方面起著關鍵作用。利用CDSA的功能作為控制納米粒子的形狀，大小和化學性質的簡便通用工具為調節水凝膠的機械性能提供了許多手段。含有聚合物納米片顆粒的NCs具有增加藻酸鹽凝膠強度，自我修復並促進在同一凝膠的兩個新切割表面上粘附的能力，這提示了在體內改善藻酸鈣水凝膠性能所存在的可能性，並且這種粘附材料的良好生物相容性為其在包括組織工程和藥物輸送的研究提供了新的思路和巨大的應用潛力。
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