引言

各向異性微結(jié)構(gòu)在生物系統(tǒng)中廣泛存在，如肌肉、皮膚和軟骨等，這些結(jié)構(gòu)賦予材料特定的功能特性。仿生各向異性材料的制備在組織工程、傳感器和藥物遞送等領(lǐng)域具有廣闊應(yīng)用前景。膠原蛋白作為動(dòng)物結(jié)締組織的主要結(jié)構(gòu)蛋白，因其優(yōu)異的生物相容性和可降解性，成為理想的生物材料。然而，傳統(tǒng)方法（如靜電紡絲、磁場輔助等）制備的膠原纖維往往缺乏天然膠原的67 nm D周期結(jié)構(gòu)，且取向控制不足。

Langmuir-Blodgett（LB）技術(shù)是一種先進(jìn)的單分子膜制備技術(shù)，可通過界面自組裝精確控制分子排列。本研究開發(fā)了一種基于LB技術(shù)的模塊化組裝方法，能夠制備具有天然67 nm D周期結(jié)構(gòu)的高度各向異性膠原膜，為仿生材料設(shè)計(jì)提供了新策略。

方法

1.膠原溶液的配置

?原料選擇：采用動(dòng)物源膠原蛋白（如牛跟腱或鼠尾膠原），溶解于醋酸溶液（0.1 mol/L）中。

?溶液優(yōu)化：添加異丙醇等有機(jī)溶劑，調(diào)節(jié)pH至5–9，確保膠原聚集體平均粒徑≤2000 nm，濃度范圍為0.1–0.7 mg/mL。

?關(guān)鍵參數(shù)：低溫（4°C）攪拌8小時(shí)，避免膠原變性。

2.LB膜制備

?儀器：使用JML04型LB膜分析儀（或其他兼容設(shè)備），其精準(zhǔn)的表面壓控制和滑障系統(tǒng)是關(guān)鍵。

?亞相條件：

?金屬離子溶液（如Na?或Ca2?），離子強(qiáng)度0.2–0.5。

?溫度控制為24–30°C，pH 5–9。

?成膜過程：

1.將500–1500μL膠原溶液均勻滴加于亞相表面。

2.靜置至膜壓平衡后，以1–10 cm/min速度壓縮滑障。

3.當(dāng)表面積達(dá)10–20 cm2時(shí)停止壓縮，維持表面壓10–30 mN/m。

3.模塊化組裝

?轉(zhuǎn)移技術(shù)：采用豎直拉提法，提拉速度1–10 mm/min，將膠原單層轉(zhuǎn)移至基片（如硅片或云母片）。

?疊層設(shè)計(jì)：

?單軸取向：保持基片方向不變，疊加3–5層（用于皮膚敷料）或10–15層（用于角膜組織工程）。

?3D各向異性：交替旋轉(zhuǎn)基片90°，疊加15–20層（模擬肌腱結(jié)構(gòu)）。

?后處理：去離子水洗凈后真空干燥，必要時(shí)進(jìn)行輻照滅菌。

結(jié)果與討論

結(jié)構(gòu)表征

?AFM分析：如實(shí)施例5所示，膠原纖維呈現(xiàn)有序定向排列（圖2），高分辨率圖像清晰顯示67 nm D周期節(jié)狀結(jié)構(gòu)（圖3–4），證實(shí)天然自組裝成功。

?取向度：在優(yōu)化條件（亞相溫度25°C、離子強(qiáng)度0.3）下，纖維取向度高達(dá)90%以上（表1–2）。

?對比實(shí)驗(yàn)：亞相溫度過高（>30°C）或離子強(qiáng)度過低（<0.2）會(huì)導(dǎo)致纖維排列混亂（對比例1–4），超純水亞相則無法形成D周期結(jié)構(gòu)（對比例5）。

技術(shù)優(yōu)勢

1.生物相容性：全程低溫操作（<30°C），保留膠原三股螺旋結(jié)構(gòu)，重金屬含量≤10 mg/kg。

2.精準(zhǔn)調(diào)控：LB技術(shù)通過界面壓力與分子自組裝耦合，實(shí)現(xiàn)纖維取向和周期結(jié)構(gòu)的同步控制。

3.模塊化設(shè)計(jì)：通過調(diào)整疊層角度和層數(shù)，可定制各向異性結(jié)構(gòu)，模擬天然組織。

結(jié)論

本研究建立的LB技術(shù)模塊化組裝方法，能夠高效制備具有天然67 nm D周期結(jié)構(gòu)的各向異性膠原膜。該方法條件溫和、重復(fù)性好，在組織工程和生物傳感器領(lǐng)域具有廣泛應(yīng)用潛力。LB膜分析儀的核心作用體現(xiàn)在其精準(zhǔn)的表面壓控制和轉(zhuǎn)移能力，為仿生材料研究提供了關(guān)鍵工具。

技術(shù)文章：LB膜分析儀在膠原仿生材料中的應(yīng)用

LB技術(shù)通過調(diào)控分子界面行為，可實(shí)現(xiàn)納米級精度的薄膜組裝。本公司LB膜分析儀具備高精度滑障系統(tǒng)、溫控模塊和自定義參數(shù)設(shè)置，特別適用于膠原等生物大分子的有序組裝。用戶可通過調(diào)節(jié)表面壓、提拉速度和亞相組成，實(shí)現(xiàn)從單層到3D結(jié)構(gòu)的可控制備。此外，儀器兼容多種基片（如硅片、聚合物膜），滿足不同應(yīng)用場景需求。

應(yīng)用案例：

?皮膚再生：單軸取向膠原膜引導(dǎo)成纖維細(xì)胞定向生長。

?藥物篩選：各向異性膜作為細(xì)胞培養(yǎng)支架，模擬體內(nèi)微環(huán)境。

?基礎(chǔ)研究：研究膠原自組裝動(dòng)力學(xué)及分子相互作用。

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參考文獻(xiàn)

[1]Wakuda Y,et al.Scientific Reports,2018.

[2]Antman-Passig M,et al.Nano Letters,2016.

本文基于專利CN115137882A改寫，數(shù)據(jù)來源于實(shí)施例。