生命系统的特征是形状多样。从球形HIV病毒到杆状烟草花叶病毒，星状细菌和多形细胞，已知形态可以赋予基于特定功能的进化优势，例如与表面的相互作用，被动扩散和主动运动。为了模拟自然生物体的组成，科学家们设计了各种各样的纳米粒子，从碳聚合物到无机或金属材料。然而，从自然世界到合成世界，球形纳米颗粒几乎代表了被广泛研究的唯一形态，其用途广泛：从药物输送，防污和抗菌剂，到纳米复合材料，纳米结构被封装在材料中以提高其机械性能和生物学相关性。其背后的主要原因是，制造具有各向异性形状的合成纳米材料具有极大的挑战性，因此可以精确控制聚合物纳米粒子的物理化学性质（如形状，尺寸和表面化学性质）的技术为根据需要的应用定制这些纳米结构提供了可能。英国伯明翰大学Rachel K. O’Reilly教授长期从事于将聚合物的超分子组装成为精密的纳米结构的研究，他们创造性的提出假设-水凝胶材料之间的机械性能和粘附性可以通过整合和调节水凝胶中的纳米颗粒的形状来控制。本文作者寻求通过使用结晶驱动自组装（CDSA）制备聚合物纳米颗粒来探究纳米颗粒形状对材料性能的影响。该方法允许对纳米粒子的直径，形态和表面化学进行高度控制，然后将纳米颗粒将海藻酸钙水凝胶混合，探究了当不同形态的纳米粒子混入后对水凝胶表面之间的粘附力和材料的机械强度以及生物相容性的影响。
具体步骤：
1、PLLA35的纳米颗粒的制备
如图1所示，聚（L-丙交酯）基嵌段共聚物(PLLA)被利用制备成球形，圆柱形以及片状的纳米颗粒。通过使用结晶驱动自组装（CDSA）化学方法获得不同形态的纳米颗粒为基于颗粒形状去研究纳米结构性能打开了大门。假设不同的纳米颗粒形态具有不同的亲和力和影响交联的能力，本文试图研究藻酸盐凝胶的两个刚切开的切口部分之间的粘合能是否取决于用作粘合剂的纳米颗粒的形状。
图1:不同形态的纳米粒子的透射电镜图。
2、使用不同形态的基于PLLA35的纳米颗粒粘合的海藻酸钙水凝胶块的粘合特性。
通过将藻酸盐（1.5 wt％），碳酸钙和D-葡萄糖酸-δ-内酯（GDL）混合在一起而制备的钙藻酸盐水凝胶被选为优选的水凝胶材料，然后将季铵化的（正电荷）纳米片在水中分散后用作粘合剂将两个海藻酸钙水凝胶块粘合在一起。将一滴10 µL的纳米片溶液以胶水的形式铺展在水凝胶表面（约5 mm×10 mm）上，并将另一块水凝胶置于顶部（图2a-d）。抬起顶块在10分钟内观察到两块水凝胶粘附在一起。以相同的方式粘贴其他的水凝胶块以形成一个桥，该桥足够牢固以在水平悬挂在两个立柱之间或垂直悬挂在一根针上（图2b）。当单独使用海藻酸钙凝胶或使用水或季铵化的均聚物溶液作为胶水替代品时，观察到的粘合力可忽略不计，这表明在界面处存在季铵化的片状纳米颗粒是观察到的水凝胶之间存在粘合性的原因。为了进一步探讨这一点，本文评估了尺寸和表面电荷对纳米片粘附特性的影响（图2f，g）。首先，比较了小（372 nm（长）××223 nm（宽）），中（893×528 nm）和大（1700×993 nm）片状纳米粒子，与中大尺寸相比，小纳米片显示出更高的粘附强度（图2f）。我们推测，这种与尺寸有关的行为是小纳米片既位于凝胶表面轮廓上又彼此不相互作用以形成比大纳米片更好的粘合层的能力的结果，而大尺寸的纳米片倾向于彼此重叠，从而限制了它们与凝胶表面的相互作用。并且电荷也是重要的影响因素，如图2g所示，与阴离子，两性离子和中性纳米片相比，
季铵化正电荷纳米片提供了更高的粘附能，这可能是由于它们与水凝胶游离的藻酸盐基团更强的相互作用所致。
图2，海藻酸钙水凝胶的粘合性能表征。
3 、富含不同形态PLLA35纳米颗粒的海藻酸钙水凝胶的流变特性。
本文接着研究纳米颗粒形态是否也可用于调节相关藻酸盐水凝胶的机械性能。如先前所述制备水凝胶，并通过在室温下以恒定浓度的钙掺入各种量的纳米片，然后进行流变力学测试以量化凝胶强度。对于所有凝胶，在多次运行中均观察到宽的线性粘弹性区域和网络破坏，并且与存储和损耗模量（分别为G'和G''）的频率相关。在球形纳米颗粒存在下胶凝后，应变相关的旋转流变学测试表明，在G'和G''的交叉点处的应变略有增加，材料以〜25％的应变范围内保持胶体状态。当不使用任何纳米颗粒时的断裂应变约为10％（图3c，d）。
含有圆柱形胶束的水凝胶的断裂应变为15％（图3b，d），与没有纳米颗粒添加剂的凝胶相比，变化很小。这不足为奇，因为预计圆柱状纳米颗粒的拉伸形态与藻酸盐凝胶的相互作用较少，这是由于每个粒子的表面积较低从而导致较低的断裂应变。
图3，富含不同形态PLLA35纳米颗粒的海藻酸钙水凝胶的流变特性。
4、NCs的细胞相容性和组织粘附
为了在组织工程应用中使用增强型和粘附性藻酸盐水凝胶，我们对生物材料的细胞相容性进行了7天的脂肪来源干细胞（ASC）3D培养。 3天和7天后，含纳米片的海藻酸钙水凝胶的细胞活力与对照组海藻酸钙水凝胶相近。没有观察到统计学差异，这表明该材料具有高度的细胞相容性（图4c）。此外，在生理条件下研究了含有纳米片水凝胶粘附载有细胞的水凝胶的能力。使用PLLA35-b-PDMAEMA315纳米片作为层之间的粘合剂，构建了具有交替层的ASCs凝胶和无细胞凝胶的交替层的构建体。当浸入37°C的细胞培养基中时，水凝胶溶胀后，粘合部位仍保持完整。有趣的是，没有观察到从细胞层到无细胞层的细胞迁移（图4a），这表明我们的系统具有将不同组织密封在一起的潜力，这是确保伤口愈合和组织再生的基本特性。为了进一步研究这种可能性，我们然后将染料标记的软骨细胞和染料标记的成骨细胞封装在两个不同的海藻酸钙水凝胶块中，然后使用纳米片颗粒将它们粘合在一起，以提供骨软骨连接的简单模拟，在7天后未观察到两层之间的细胞迁移（图4b）。这些进展表明，使用纳米片颗粒作为粘合剂为利用复杂的组织工程模型的构建提供了一条有希望的途径，该方法使用藻酸钙水凝胶来再生不同的组织。最后，还使用牛软骨组织探索了纳米片颗粒凝胶的粘附能力。切下组织并立即用纳米片颗粒覆盖，并保持粘附2小时。然后用搭接剪切试验测量粘合能，显示出66±18 kPa的剪切强度，虽然高于天然软骨组织（433±360 kPa），但仍高于临床上修复半月板撕裂的最低阈值。
图4.使用PLLA35-b-PDMAEMA315血小板，海藻酸钙NCs的细胞相容性和软骨组织的粘附性。
总结与展望:
本文系统探究了纳米颗粒的形状在定义水凝胶材料的最终性能以及用作胶水时的粘合强度方面起着关键作用。利用CDSA的功能作为控制纳米粒子的形状，大小和化学性质的简便通用工具为调节水凝胶的机械性能提供了许多手段。含有聚合物纳米片颗粒的NCs具有增加藻酸盐凝胶强度，自我修复并促进在同一凝胶的两个新切割表面上粘附的能力，这提示了在体内改善藻酸钙水凝胶性能所存在的可能性，并且这种粘附材料的良好生物相容性为其在包括组织工程和药物输送的研究提供了新的思路和巨大的应用潜力。
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