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东华大学朱美芳院士《NSR》:大规模制备高性能的生物相容光纤的新方法
出处:科学材料站  录入日期:2020-09-18  点击数:217

  近些年来,水凝胶光纤在生物传感器、光遗传学、光治疗领域受到了广泛的关注。相比于传统的高分子或玻璃光纤,具有皮芯结构的水凝胶光纤具有更为优异的组织相容性和光学性能,因而是植入式医用光纤的首选材料。
  对于植入式光纤而言,最重要的性能包括光透过率、皮芯界面处的全反射效率以及机械性能(模量和强度)。因此,具有交联结构的无定形高分子水凝胶纤维十分适合用于制备光纤。尽管目前已经开发出静电纺丝、3D打印、挤出成型、微流道加工和模板法等多种方法生产水凝胶纤维,然而同时具有高光学性能、力学性能的皮芯结构光纤的大规模连续化生产仍然是一个挑战。实现上述要求的三大挑战是:1)在纺丝过程中同步实现水凝胶网络的生成;2)由于皮芯材料流变学特性的差异所带来的非平衡纺丝状态;3)如何选择合适的皮芯材料以实现界面处的全反射。
  借鉴目前用于聚乙二醇二丙烯酸酯(PEGDA)的动态交联湿法纺丝工艺以及微流道纺丝工艺,东华大学朱美芳院士课题组进一步开发了可用于制备多种皮芯结构水凝胶光纤的集成式光引发动态湿法纺丝工艺。该工艺可为多种水凝胶皮芯纤维体系提供对纤维直径、机械性能、光学性能的精确控制。上述成果以“Integrated dynamic wet spinning of core-sheath hydrogel fibers for optical-to-brain/tissue communications”为题发表于《National Science Review》。


  1.光纤的制备与工艺设计

 


  图1光纤的制备流程
  皮芯结构水凝胶光纤的皮层选用海藻酸钠作为前驱液,芯层选用PEGDA和丙烯酰胺(AAm)的水溶液作为前驱液。通过自制的同轴纺丝喷头,在有牵伸的条件下将前驱液挤出至氯化钙凝固浴中。钙离子扩散进入海藻酸钠中,并使其交联固化,形成水凝胶皮层。同时在喷头附近用紫外光照射光纤,使PEGDA和AAm发生自由基聚合,形成凝胶网络(图1a、d、e、f、g)。研究人员在实验室条件下制备了10 m长的连续光纤(图1b),可以预见,该方法同样适用于千米长度的光纤制备。此外,通过调节前驱液浓度、单体比例、拉伸速度、挤出速度和皮芯挤出速度比,可以很方便地改变光纤的光学、机械性能及尺寸。这一加工工艺同样也适用于其它水凝胶纤维的制备,如NIPAM-co-DMAAm水凝胶纤维。
  前驱液配方的优化主要从以下方面考虑:(1)光纤性能和结构;(2)是否满足加工工艺要求。为了使芯层的折光指数最大化,同时还保持较高的透光性,选用PEGDA:AAm = 1:1(质量比)的配比;在生产用浓度范围内PEGDA/AAm和海藻酸钠溶液的流动性都较好,为了进一步保证连续生产的稳定性,选用PEGDA/AAm的总浓度为 40 wt%,海藻酸钠浓度为2 wt%。
  2.光学性能

 


  图2光纤的光学性能测试
  研究人员分别对光纤长度、光波长、光纤粗细和光线弯曲角度对光损耗的影响进行了探究,并选用没有皮层的PEGDA/AAm光纤作为对照。研究表明,没有皮层的光纤无全反射现象,散射损耗严重(图2g);光纤越长,其传播过程中的光损耗也越大。随着光波长增长,光纤损耗逐渐降低,这主要是因为PEGDA/AAm等高分子材料对长波长的光透过率较高。随着光纤芯层直径增大,损耗降低(图2c),这是由于粗光纤中光在界面的全反射次数降低,反射时的损耗降低。光纤弯曲会增加光损耗(图2d、e),在弯曲角度为180o时,光纤末端的光强仅为无弯曲时的50%。不过这一损耗并非永久性的,在回复至初始形状后光纤的损耗也回复至初始水平。
  3.力学性能及生物相容性

 


  图3光纤的力学性能和生物相容性
  对于可植入光纤来讲,其在体内的使用性与力学性能和生物相容性有关。一般要求光纤的力学模量与软组织的相近,并且对组织细胞没有毒性。本实验中的皮芯水凝胶光纤的力学性能主要取决于强度较高的PEGDA/AAm芯层,当提高皮/芯挤出速度比时,芯层直径迅速下降,而皮层先下降,后基本不变。因而光纤的总直径会下降,并导致拉伸强度、和模量的下降,同时断裂伸长率提升(图3a、b)。
  在光纤材料上接种NIH-3T3细胞3天后,空白组和光纤材料上的细胞群落密度并无明显不同,证明材料无细胞毒性(图3d、e)。
  4.肿瘤光热治疗及光遗传学应用

 


  图4将皮芯水凝胶光纤用于肿瘤的光热治疗

 


  图5将皮芯水凝胶光纤用于光遗传学研究
  相比于传统光热治疗或光遗传学中使用的二氧化硅基和高分子基光纤,皮芯水凝胶光纤在保证良好的光传导性能的同时还具有更优异的生物相容性。为证明这种光纤可以被用于深层组织肿瘤的光热治疗,研究人员用猪的肌肉组织模拟人的组织,将模型肿瘤注入小鼠体内,并用光纤将近红外光引导至肿瘤部位。经照射后肿瘤处的温度迅速上升至48 oC,治疗后肿瘤体积明显减小(图4)。
  光遗传学作为控制小鼠行为,研究大脑活动的有力工具,需要植入式的光纤将光引导至特定脑区以控制大脑活动。在经过遗传学修饰后,皮芯水凝胶光纤通过陶瓷套圈引导至小鼠大脑。通过开关光刺激,小鼠在自由空间内的探索强度有明显改变(图5)。
  此外,免疫学试验表明二氧化硅光纤在植入后激活了高强度的免疫反应,并导致光纤附近的血脑屏障功能紊乱;然而皮芯水凝胶光纤所激活的免疫反应则要明显低于二氧化硅光纤。证明了该光纤与脑组织良好的相容性。
  通过结合湿法纺丝和光自由基聚合,本文提供了一种具有泛用性和的大规模生产能力的皮芯结构水凝胶纤维加工方法。该方法不但适用于多种水凝胶材料,还能够提供对纤维内外径、透光度、折光指数、力学性能等多个参数的控制。通过上述方法制备的皮芯水凝胶光纤被成功用于深层组织的肿瘤光热治疗和光遗传学实验。因而该方法在光学治疗、传感、光遗传学等多个领域都具有广泛的应用前景。

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