层层自组装技术是一种被广泛应用的表面修饰技术，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凝血现象启发，开发了一种基于流体驱动的原位高分子层层自组装技术并于2019年2月12日发表在国际纳米医学顶级期刊《ACS Nano》上。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。
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而沉积在基底表面。这种传统方法不适用于生物体或不耐水的基底，特别是脆弱的生物材料和组织。而且每次循环需要大概30分钟，为达到一定厚度的组装往往需要几十次循环。因此，传统的层层自组装是一个随机并耗时耗力的过程，需要引入额外的驱动力来加速这个过程。
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，未来有望在口腔溃疡、角膜损伤、皮肤损伤等临床场景将有很好的应用前景。
(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合作完成，王本副教授为通讯作者，2015级化学专业研究生贺川江、2016级临床医学专业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。该研究还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，体现了鲜明的医工信融合创新研究特色。ACS Nano副主编、密歇根大学教授、著名材料学家Nicholas A. Kotov评价这项工作“Great research!”。
项目由国家重点研发计划项目“生物医用材料研发与组织器官修复替代”重点专项（2016YFC1100800）资助完成。
参考文献:
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. Bioinspired Shear-Flow-Driven Layer-by-Layer in Situ Self-Assembly. ACS Nano, Article ASAP
DOI: 10.1021/acsnano.8b08151
https://pubs.acs.org.ccindex.cn/doi/full/10.1021/acsnano.8b08151
