【纳米】剪切力驱动的快速、有序的层层自组装

注：文末有研究团队简介 及本文科研思路分析

静电层层自组装技术（LbL）是一种应用广泛的表面修饰技术，被应用于包括光学、能源、催化和分离在内的多种领域以构建纳米级表面涂层，但其制作过程耗时耗力，而且需要将基底长时间浸泡在水中，限制了这种技术在生物医学领域的转化应用。近日，浙江大学转化医学研究院王本课题组受人体血管性血友病因子介导的血管快速修复现象的启发，开发了一种基于流体驱动的原位高分子层层自组装技术，成功克服了上述困难。该技术不仅大幅提高了组装速度，优化了组装薄膜的表面形貌，而且首次实现了在活体动物眼部和皮肤创面表面原位构建敷料薄膜，促进了糖尿病所致慢性难愈合创面的修复。

传统的静电层层自组装技术是一种在基底表面交替沉积正、负电性物质构建薄膜的表面修饰技术，其交替组装过程是将基底循环浸泡在带不同电性的物质的溶液中，溶液中带电物质自由扩散到基底表面并受基底表面相反电荷物质吸引的库仑力而沉积在基底表面，再用清水清洗掉未牢固吸附的分子，并重复上述步骤直到达到所需的厚度。然而，组装过程中每个单层的沉积过程需要10-20分钟，每个冲洗步骤需要3-5分钟。这意味着一个循环过程耗时大约一个小时。另一方面，在浸渍组装过程中，基底必须被夹持并被循环浸入各种溶液中，因此这种方法并不适用于小体积或不耐受水的基底材料。然而，许多生物组织和生物材料都比较脆弱，不适宜夹持并长期浸泡在水中。这些缺点使得传统的LbL在生物医学领域的应用受到限制。

传统层层自组装技术（LbL）与流体驱动的层层自组装技术（SF-LbL）

一种反直觉的生理现象为研究人员提供了灵感。在高速流动的水流中堵住管道漏洞是一件比较困难的事。但在我们的血管中却能够进行类似的高难度操作，这与一种叫血管性血友病因子（VWF）的蛋白有关，它在血管中高剪切力条件下的止血过程中扮演着重要角色。这种蛋白在一定的剪切速率下由收缩转向舒展状态，暴露出足够多的结合位点在胶原基质表面粘附，形成粘性网络进一步介导血小板的粘附和血液凝固，这表明剪切力能够有效改变分子形态。受此现象的启发，王本课题组提出了一种新的通过剪切力驱动的原位高分子自组装方法（SF-LbL）。该方法利用流体的剪切力可以有效且快速地舒展大分子链使其暴露出更多的结合位点以促进粘附，并促进已经吸附的大分子物质有序排列，优化组装薄膜的表面形貌和结构致密性。同时，该方法不需要传统的漂洗和干燥步骤，简化了组装流程，一个层层自组装循环仅需要2分钟即可完成。

(A) 在流体中，高分子在一定剪切力的作用下呈定向舒展排列；(B) 为流体分子动力学模拟结果。

该方法同时具备传统方法的优点，不仅能够组装平整的二维薄膜材料用于角膜上皮细胞培养，而且能够组装图案化的三维阵列结构。

(A) SF-LbL组装的高分子膜以及(B)在膜上培养角膜上皮细胞；(C, D) 通过SF-LbL方法构建的三维阵列。

此外，这种技术不需要移动基底，可以直接在大鼠受伤的角膜和皮肤的表面原位形成薄膜，这是传统的层层自组装技术无法实现的。研究人员利用此方法成功地在角膜基质、大鼠眼球表面原位构建了敷料涂层，并在糖尿病小鼠的背部皮肤上原位制备了由壳聚糖和肝素组成的薄膜用于吸附创面的炎症趋化因子IL-8以阻断过度的炎症反应，加速了慢性难愈合创面的愈合。这种技术为层层组装构建敷料薄膜在生物医学中的转化应用提供了新的途径。理论上凡是带有电性的大分子物质，或者可以通过非共价比如氢键都可以采用这种方法负载到创口表面，因此这种方法对材料和药物有广泛的适用性。而且这种方法操作简便，能够对薄膜厚度和形貌实现纳米级调控，所构建薄膜能与创面紧密贴合、透气透光，未来将有望在口腔溃疡、角膜损伤、皮肤损伤等临床场景有很好的应用前景。

(A) 在糖尿病小鼠的背部皮肤上原位制备了由壳聚糖和肝素组成的薄膜，促进创面修复；(B)在角膜基质表面组装敷料薄膜；(C) 在大鼠受损角膜表面组装薄膜，两天后角膜再生覆盖薄膜。

这项研究由浙江大学转化医学研究院王本实验室与浙医二院眼科姚克教授团队和烧伤科韩春茂教授团队合作完成，王本副教授为通讯作者，2015级化学专业硕士研究生贺川江、2016级临床医学专业硕士研究生叶婷婷和浙江大学医学院附属第二医院眼科医生滕文琪博士为论文的共同第一作者。

原文（扫描或长按二维码，识别后直达原文页面）：

Bioinspired Shear-Flow-Driven Layer-by-Layer in Situ Self-Assembly

Chuanjiang He, Tingting Ye, Wenqi Teng, Zhi Fang, Wei-Shuyi Ruan, Guowu Liu, Hui Chen, Jizeng Sun, Lanlan Hui, Feng Sheng, Dingyi Pan, Chunming Yang, Yi Zheng, Meng-Bo Luo, Ke Yao, and Ben Wang

ACS Nano, 2019, 13, 1910–1922, DOI: 10.1021/acsnano.8b08151

王本副教授简介

王本，系浙江大学/哈佛大学联合培养博士（2011年），目前任职浙江大学转化医学研究院/浙江大学医学院附属第二医院双聘副教授、博士生导师，求是青年学者（Distinguished Young Scholar，2013年），浙江省杰出青年基金获得者（2015年）。

研究领域是利用大自然的设计策略来发展生物启发的材料和器件，从物理化学视角出发，聚焦在理解细胞与细胞界面，细胞与材料界面的分子机制，发展重大疾病的早期诊断和个体化治疗手段。迄今以第一发明人身份申请和授权国家发明专利9项，在Angew Chem Int Ed、ACS Nano等国际期刊发表SCI论文27篇。研究成果被Faulty of 1000、Nature China和Chemistry World等科技媒体专题报道和正面评价。受邀撰写细胞表面工程英文专著章节（Cell Surface Engineering，2014）和多篇展望性综述文章。曾获美国百人会英才奖（2009年）。

https://www.x-mol.com/university/faculty/63933

科研思路分析

Q：这项研究的最初目的是什么？或者说想法是怎么产生的？

A：最初的目的是想通过层层自组装技术构建负载药物的阵列结构。但漫长的组装过程和高强度的操作需求，使实验进展缓慢。我们就转而寻找能够加速组装过程的方法。从文献中了解到血流的剪切力能够促使血管性血友病因子（VWF）产生收缩-舒张的形态转变，受此启发，我们决定研究流体剪切力对高分子形态的影响，进而研究这种形态上的变化对LbL组装速度和成膜形貌的影响。

Q：在研究中过程中遇到的最大挑战在哪里？

A：最大的挑战是如何表征流体剪切力对高分子形态的影响。流体是一个动态的体系，单个高分子链又极小，在流体中观察单个高分子的形态是非常困难的。这就对我们实验方案的设计和采用的表征手段提出了很大的挑战。幸运地是，我们得到了浙大航空航天学院潘定一副教授和物理系罗孟波教授在流体分子动力学模拟、物理系郑毅研究员在原子力显微镜表征、上海光源中心在同步辐射表征方面的大力支持，最终得以克服上述挑战。

Q：本项研究成果最有可能的重要应用有哪些？哪些领域的企业或研究机构最有可能从本项成果中获得帮助？

A：这种技术可用于一些外科创伤的创面处理和修复。这种方法操作比较温和，能够原位构建敷料薄膜，与创面贴合性好，而且仅有几微米的厚度，不易因频繁的活动、摩擦导致敷料脱落。因此，将有望用于眼角膜创伤、口腔溃疡等创面敷料的构建，促进创面愈合。我们相信这项研究成果为实现快速、有序的基底表面修饰提供了一种广谱易得、性能优异的方法，将对界面修饰、光学器件、能源催化和生物医学等相关领域的发展产生推动作用。

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