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水凝膠該如何設計?看頂尖大牛最新Nature系列綜述!

發(fā)表時(shí)間 :2024-04-01 作者 :高分子科學(xué)前沿 來(lái)源 :高分子科學(xué)前沿

模塊化設計與水凝膠

開(kāi)發(fā)越來(lái)越多水凝膠應用的機遇推動(dòng)了具有極端性能的水凝膠的發(fā)展;然而,許多應用需要在單個(gè)水凝膠制劑中平衡多種性質(zhì)和/或設計標準。因此,實(shí)現多面性水凝膠的途徑需要模塊化設計和對水凝膠的基本理解。模塊性,或在水凝膠制劑中交換具有不同性質(zhì)的成分的能力,是實(shí)現與不同成分(例如基質(zhì)金屬蛋白酶可降解交聯(lián)肽)相關(guān)的性質(zhì)所必需的。通過(guò)使用數學(xué)模型總結對水凝膠的基本理解,可以在不損失模塊化組分作用的情況下將水凝膠性能調整到理想水平。

模塊化水凝膠設計主要集中在將單一的新特性融入水凝膠中,通過(guò)二元比較或比例關(guān)系測試改性的有效性。然而,隨著(zhù)水凝膠設計變得更加多面,對交叉知識的需求增加;也就是說(shuō),了解組合改造產(chǎn)生的特性,以及這些相互作用如何影響水凝膠在特定生物醫學(xué)應用中的適用性。隨著(zhù)水凝膠配方的日益復雜,無(wú)指導的試錯優(yōu)化變得不可行;相反,需要應用基本模型來(lái)協(xié)調交叉設計空間中結構-性能關(guān)系的預測。具體而言,關(guān)于模塊化變化如何影響多種結構-性質(zhì)相互作用的模型指導假設可以支持更有效的實(shí)驗設計,以創(chuàng )建具有多種性質(zhì)的水凝膠。

最新綜述

在這篇綜述中,德克薩斯大學(xué)奧斯汀分校Nicholas A. Peppas教授等人提出了一個(gè)基于模型的模塊化水凝膠設計框架,該框架是應用驅動(dòng)的,并在設計過(guò)程的早期就考慮臨床轉化的前景。在這種方法中,水凝膠制劑的每個(gè)成分都朝著(zhù)目標應用的多方面設計標準進(jìn)行了優(yōu)化,確定了如何將多種特性集成到單個(gè)制劑中。作者著(zhù)重描述了聚合物物理的基本模型,這些模型為模塊化水凝膠設計提供了基礎,并研究了如何整合合成聚合物前體以實(shí)現這種模塊化。最后,作者討論了臨床批準的水凝膠制劑,并研究了如何通過(guò)模塊化設計方法解決臨床轉化中的挑戰。相關(guān)工作以“Model-based modular hydrogel design”為題發(fā)表在Nature Reviews Bioengineering。

【文章要點(diǎn)】

一、改造基于高分子物理的基礎模型

水凝膠的基本模型廣泛借鑒了聚合物物理學(xué)。類(lèi)似橡膠的彈性理論描述了水凝膠結構和剛度之間的關(guān)系,并為水凝膠的平衡溶脹模型貢獻了彈性化學(xué)勢。Flory–Huggins聚合物溶液理論為平衡溶脹理論提供了混合化學(xué)勢。將初始或松弛的聚合物體積分數引入平衡溶脹方程有助于分析在水溶液中形成的水凝膠的溶脹。此外,約束連接模型定義了是將幻影變形還是仿射變形應用于水凝膠溶脹和剛度計算。水凝膠內溶質(zhì)傳輸的模型基于聚合物物理,包括采用Stokes–Einstein模型的假設,即溶液中的聚合物分子表現得像一個(gè)堅硬的、不相互作用的球體。Flory的統計力學(xué)可用于計算水凝膠的網(wǎng)孔尺寸,這仍然是估計水凝膠中溶質(zhì)傳輸特性的可行方法。因此,平衡溶脹、橡膠狀彈性和網(wǎng)格傳輸的理論被進(jìn)一步協(xié)調到水凝膠設計模型中,該模型使用合成定義的網(wǎng)絡(luò )結構參數作為輸入來(lái)預測溶脹、剛度和溶質(zhì)傳輸。通過(guò)將模型從理論上的性質(zhì)-描述-結構格式重新排列為實(shí)際的結構-預測-性質(zhì)格式,提出了一種基于模型的水凝膠設計方法。具體而言,將特定水凝膠制劑的合成定義的結構參數輸入到模型中,將產(chǎn)生水凝膠的預期溶脹率、硬度和溶質(zhì)在水凝膠內的擴散系數。重要的是,這種方法先驗地產(chǎn)生基于結構的預測,建議如何改變水凝膠的結構以?xún)?yōu)化其性能,而不需要試錯實(shí)驗。此外,這些結構-性能關(guān)系是明確的和可測試的,這意味著(zhù)將水凝膠配方與其性能配對的數據積累將可靠地改進(jìn)模型,提高生物醫學(xué)應用中水凝膠設計的準確性。

二、基于合成前體的模塊性

除了理論發(fā)展和數學(xué)建模之外,水凝膠網(wǎng)絡(luò )結構的功能前體的化學(xué)合成和商業(yè)可用性方面的突破也促進(jìn)了基于模型的模塊化水凝膠設計。PHEMA、聚乙烯醇(PVA)、聚乙二醇二丙烯酸酯(PEGDA)和末端官能化多臂聚乙二醇(PEG)是水凝膠的關(guān)鍵合成前體。特別是,基于PEG的前體在其結構(線(xiàn)性或多臂)和端基功能化方面是通用的,因此可以用于研究和驗證生物醫學(xué)相關(guān)合成水凝膠中的基本結構-功能關(guān)系,而不會(huì )引入用不同聚合物制備的水凝膠的混淆比較。

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1 臨床使用的水凝膠

三、水凝膠性質(zhì)與臨床轉化

面向實(shí)際應用的水凝膠常常需要同時(shí)優(yōu)化多種性能。例如,長(cháng)期組織工程植入物不僅需要與目標組織的硬度相匹配,還要承受多次施加的力,并將纖維化反應降至最低。模塊化水凝膠特性則可以實(shí)現以應用為中心的水凝膠設計。而在實(shí)際生活中,水凝膠已應用于多個(gè)臨床領(lǐng)域,包括眼科、組織工程、婦女健康和化妝品(重建手術(shù)和真皮應用),這產(chǎn)生了一個(gè)豐富的臨床批準的水凝膠制劑庫(圖1)。

四、臨床轉化的挑戰與解決方案

理解和設計包括降解在內的整個(gè)水凝膠使用周期,仍然是臨床應用水凝膠設計的核心挑戰(圖2)。生物相容性降解可以通過(guò)基于模型的模塊化水凝膠設計來(lái)實(shí)現,如溶脹的聚合物網(wǎng)絡(luò )模型包括鏈端缺陷的頻率,可以對其進(jìn)行操作以預測網(wǎng)絡(luò )降解如何影響本體水凝膠性能。此外,可以反復測試生物活性官能團在模板水凝膠中的模塊化結合,以識別和替換有毒成分。此外,有限的成本效益是水凝膠裝置臨床轉化的主要障礙,應在設計考慮中加以解決。這可以通過(guò)基于模型的模塊化水凝膠設計來(lái)改善,例如,通過(guò)應用具有成本效益的聚合物和通過(guò)最小化昂貴功能部件的使用來(lái)改善。此外,使用基于模型的模塊化水凝膠設計來(lái)同時(shí)實(shí)現多個(gè)目標特性,可以降低與試錯水凝膠合成相關(guān)的研發(fā)成本。

3 解決水凝膠臨床轉化的挑戰

五、基于模型的模塊化水凝膠設計過(guò)程

基于模型的模塊化水凝膠設計過(guò)程借鑒了其他轉化生物材料開(kāi)發(fā)策略,包括可編程水凝膠、精確功能水凝膠和循證生物材料研究??删幊趟z通常通過(guò)實(shí)現細胞、生物化學(xué)基團和聚合物網(wǎng)絡(luò )來(lái)進(jìn)行工程設計,然后整合模塊化交聯(lián)以操縱包封的細胞移動(dòng)性和組織。精密功能水凝膠旨在通過(guò)實(shí)現幾種類(lèi)型的單元操作來(lái)支持多種不同的生物醫學(xué)應用。循證生物材料研究將迭代系統綜述納入從基礎研究到商業(yè)化生物醫學(xué)產(chǎn)品的轉化過(guò)程?;谀P偷哪K化水凝膠設計將可編程水凝膠的材料意識特征與精確功能水凝膠設計的應用驅動(dòng)功能以及循證生物材料研究的迭代進(jìn)展相結合。此外,模塊化水凝膠設計旨在開(kāi)發(fā)可應用的水凝膠,同時(shí)反饋到水凝膠結構-性能關(guān)系的強大、全面的數據集和模型中(圖3)。

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3 用于基于模型的模塊化水凝膠設計的迭代循環(huán)

【結論與展望】

隨著(zhù)該領(lǐng)域的進(jìn)展,在水凝膠中加入單個(gè)模塊化成分如何影響其他性質(zhì)的有力驗證將為預測性設計具有多種可能相互作用的修飾的可應用水凝膠奠定基礎。通過(guò)提供上述框架,優(yōu)化基礎水凝膠研究的見(jiàn)解,以滿(mǎn)足多種生物醫學(xué)要求,基于模型的模塊化水凝膠設計將有望克服水凝膠臨床應用中的瓶頸。

來(lái)源:高分子科學(xué)前沿

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