多糖组装工程Word文档下载推荐.docx

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【1，2】这为工程师和材料科学家开发利用将这些碳水化合物纳入生物化学活性的材料提供了一个机遇。

因此，糖基化学作为在不同领域包括蛋白质彼此作用，细胞和组织工程，疫苗交付和医治癌症方面具有庞大潜力的材料已经吸引了生物材料研究人员的注意 

。

【3，6】另外，在其原生生物的情形下，许多多糖被发觉是纳米结构的复杂装配（如病毒衣壳,细菌的细胞壁，真核细胞糖萼和胞外结构如哺乳动物的蛋白多糖聚合组织）。

例如，图1是别离用透射电子显微镜从一个正常的内皮糖血管和发炎红肿的血管观看所得的图像和用原子力显微镜观看取得取得的蛋白多糖图像。

【7，8】这两种都代表了用能决定其生物化学性能的纳米级组织来组装多糖的方式。

为了充分实现他们的生物化学和生物力学潜能，生物材料科学家正在探讨多糖纳米结构的工程化。

这篇刊物简要总结了经常使用作生物材料的多糖的结构和功能，然后讨论在工程组装纳米材料在生物医学中应用的最新进展。

在这次审查中引用的文献是从那些对在物理化学和选择多糖纳米组装，并在多糖纳米结构如何能够用来调整生物反映系统（如细胞和组织）对这些材料的反映方面感爱好的文献中挑选出来的。

多糖作为生物材料的使用

在几类成为生物材料科学家重要工具的高分子材料中，多糖具有独特的性能使它最近已被用于各类医学领域。

其常见的几种吊坠组，多种单体价，糖苷键的存在，都有助于在专门大程度上使序列变异产生的不同类型的多糖。

另外，他们的生物合成可能会致使产生一个序列的异构混合物。

硫酸乙酰肝素合成复杂的机制说明了这一点，这个进程是组合顺序，并同时统计步骤。

【9,10】这远远不同于规定，在此进程中引导其他生物聚合物的合成，像蛋白质和DNA。

因此，一些多糖因为拥有生化活性序列的多样性而表现出执行许多依托于序列的生化功能。

这关于生物材料科学家来讲既是一个祝愿又是一个诅咒。

生物材料科学家因为能够通过利用单个聚合物介绍多样的生物化学功能而获益。

但是，这样做的代价却是可能会捐躯对一个即将推出的特定功能组精准操纵的程度，乃至在那个进程中产生的附加功能。

为了克服这一挑战，并推动进展糖组学研究的工具，研究者们已经向着生产特定的多糖序列作重大的尽力。

合成特定的多糖序列之因此比较困难是因为多个单体组价和它们之间的糖苷键的手性。

最近在合成立体化学和爱惜策略方面的进展由泽贝格尔发表的。

【11】为可控聚合多糖开发了酶合成法。

【12】 

但是，就目前来讲，绝大多数在生物材料中的应用研究中利用的多糖依托于由微生物产生或衍生的多糖或从动物组织中，收成，提纯而取得，并在一些情形下，进行化学修饰。

这些自然衍生的多糖能包括普遍的生物功能展现出了他们的自身所处的环境。

粘多糖

粘多糖（GAG）是在哺乳动物组织中最重要的多糖。

包括硫酸软骨素，硫酸皮肤，角质硫酸，硫酸乙酰肝素，肝素，透明质酸。

【13】粘多糖都是基于多糖

重复单元含有一个己糖醛酸（或在己糖角质硫酸的情形下）和一个已糖胺。

大体结构的如表1所示。

在生理条件下所有聚糖都是完全充电的阴离子，含有羧基，氨基酸，硫酸，和/或N-磺酸钠取代物。

【14】因此，静电彼此作用关于决定他们物理化学和生化功能是很重要的。

一些硫酸多糖具有较高的序列变异，使它们在与许多具有特异性的蛋白质发生彼此作用或杂乱的缠结。

【2,】具体GAG序列激活或抑制生长因子，[19，20]作为细胞表面的配体受体，[21]组织细胞外基质【ECM】的纳米结构，[16]增强酶的活性。

[17，22-24]

暂缺------

-

许多组织的生物功能。

在哺乳动物组织中，表1所示的硫酸糖胺最通常作为蛋白多糖-蛋白修饰版与粘多糖侧链。

[14]这些在某些组织中发觉的蛋白多糖给予组织生物化学和力学功能。

这些功能包括作为细胞表面的受体，指导细胞分化，介导细胞与细胞信号，提高组织的机械强度。

[29，31，50-53]另外，他们表现出纳米级的组织，还负责组织其他材料在细胞外基质【ECM】的纳米尺度。

这种纳米组装为在更大尺度的额外装配打下了基础。

在下面的章节中，咱们描述重要多糖的纳米组装的例子，演示了这种纳米组装如何阻碍它们的生物化学和生物力学功能。

糖萼

糖萼在近一个半世纪前被利用电子显微镜描述成是一种生物的纳米级的组装。

[54]糖萼是几乎所有的真核细胞表面上的糖蛋白的组成部份。

在透射电子显微镜下，糖萼显示出聚合物刷结构（图1A和1B）。

[8]糖萼在上皮细胞和血管内皮细胞中是专门重要的，在那里形成了决定其物理化学和生物化学表面的纳米薄膜。

[55-57]糖萼的其中一个重要的功能就是调剂细胞的粘附。

在上皮细胞的糖萼，糖蛋白促使血小板粘附到受损组织。

在血管内皮糖萼形成连接着鲁米诺表面的纳米结构的薄膜，从而抑制血小板粘附。

事实上，这层说明了所有的血液成份的彼此作用，包括血小板，血管表面，同时关于避免血栓形成也是必不可少的。

血管内皮糖萼要紧成份是硫酸乙酰肝素和透明质酸。

[58]平均厚度在400至600纳米范围内的血管内皮糖萼已被证明在物理化学和血液生理方面发挥重要作用。

[58-60]例如，通过酶解所引发的糖萼厚度减少能够吧高分子不稳固性引入糖萼，并可能致使组织肿胀。

[59，61，62]纳米尺度多糖刷结构已被详细地研究过，以详细评估其与心血管疾病的风险因素的关系。

[58，61]这些研究清楚地说明，糖萼结构的纳米级组织是一个显著能阻碍几个重要的组织的功能的决定因素。

蛋白多糖和蛋白多糖聚合

在众多糖蛋白中，蛋白多糖是最大的。

蛋白多糖是一种包括超过100糖胺方链的蛋白质。

【50，63】事实上，聚糖绝大多数重量在于硫酸软骨素，角质硫酸，低聚糖方链，沿核心蛋白散布距离只有约4到5nm。

[30，52，63，64]多糖分子链之间强的静电斥力致使其瓶刷结构。

Ngetal等详细地调查了个别软骨蛋白多糖大分子并报告了用原子力显微镜测量的物理性质。

[7]他们的研究发觉轮廓长度在300-500纳米范围内，连接到核心蛋白的个别聚糖侧链长度在30-40纳米范围内。

[7]这种结构能够清楚地在原子力显微镜下看到如在图1C所示。

[7]在关节软骨，椎间盘，流脑在眼睛的玻璃体，蛋白多糖蛋白聚糖结合透明质酸，由结合蛋白介导，以形成蛋白多糖聚合，示用意如图2所示。

[52，63，65]每一个透明质酸分子可有100多个聚糖单位绑定到它，形成一个人口浓密的包装，棒状组装的纳米结构。

[66]

蛋白多糖和蛋白多糖聚合在溶液中的结构和动力学行为已经通过散射研究和流变技术作了详细地研究。

[65，66]蛋白多糖聚合是超级僵硬，偏向于持续维持100纳米的长度。

[65]蛋白多糖聚合总显示出粘性的一个解决方案，剪切变稀行为。

[65]在生理浓度（〜5％），蛋白多糖的行为作为一个集中的解决方案，其特点通过爬行纠缠链多糖，但不僵硬。

[65]蛋白多糖和蛋白多糖聚合的生物力学已经成为通过实验和计算方式普遍研究的课题。

[64，67-70]蛋白多糖聚合的结构给予其软骨结构独特的性质。

密集的聚电解质结构使软骨维持高水分含量（〜70％），[63，66]教授一个相对较高的紧缩模量[52，66]（至兆帕[71]）

和优良的摩擦行为，[66]在生理浓度约20-80毫克/毫升。

[14]实验和蛋白多糖的模型显示，在生理浓度，相邻聚糖基之间的间距在紧缩致使急剧增加模数的

门坎周围。

[64，69，70]同时，软骨拉伸性能（例如，粘弹性应力松弛）显现，要紧来自胶原蛋白纤维的机制。

[72]因此，机械在关节和纤维软骨关节软骨在椎间盘的特性取决于纳米结构的蛋白多糖聚合。

蛋白多糖还具有在保护健康组织中发挥重要作用的多种生化功能。

在软骨组织中蛋白多糖协助组织ECM的其他部份而且可能在其他跨越细胞空间的其他大分子的运输中发挥了关键作用，如软骨细胞和细胞外基质之间。

[63]有强有力的证据说明蛋白聚糖抑制胶原蛋白水解，它是软骨细胞外基质【ECM】的另一个重要的结构性组成部份。

[73]如前所述，蛋白多糖的硫酸软骨素链还结归并激活如成纤维细胞生长因子FGF-2，[35]FGF-7，[2]生长因子（PDGF），[43，44]和

转化生长因子（TGF）β-1。

[39]

ECM成份的其他纳米级组织

在其他组织中，蛋白多糖在指导ECM的纳米级组织成份合成中具有相当重要的作用。

例如，在血管中糖胺可能阻碍组织蛋白的结构。

【74】一些学者猜想说，大的蛋白多糖中的聚糖会阻碍血管的力学性能同在软骨中的蛋白多糖所起的作用相似，[50，75]，而另一些淡化其重要性。

[74]小富含亮氨酸的蛋白多糖（SLRPs）是另一个组在细胞外基质【ECM】的纳米组织中发挥重要作用的蛋白多糖，他们正是在其中被发觉的。

核心蛋白聚糖，例如，是一个SLRP，有助于调剂胶原蛋白的最终纤维尺寸。

当核心介导的胶原蛋白组装在皮肤上被打乱，引发力学性能下降的结果。

[76]在角膜上，核心蛋白多糖确保了胶原蛋白纤维具有一个统一的（〜90nm）直径和间距，这关于组织的透明度是是必不可少的。

[77]

在对上述每一个例子的讨论可知，重要的组织功能是依托于纳米组装多糖复合物的。

这些纳米尺度的组装为在纳米多糖工程提供了灵感。

第2节中，咱们将讨论以多糖为主的纳米级表面涂层，纳米粒子和纳米光纤的重要进展。

为给第2节的信息提供依据，咱们第一简要的介绍了已经被应用于生物材料的多糖的一些重要的生物化学功能。

用于生物材料的多糖的重要生化特性

每一个已经在节中介绍的多糖均已被用作生物医学材料。

在那个地址，咱们简要介绍这些多糖的生物化学和物理化学性质如何被开发应用于生物医学。

最值得注意的是，多糖能够阻碍细胞和蛋白质黏附（通过几个机制），并能和其他生物大分子如蛋白质形成具体配合其他生物大分子。

这些属性使得多糖能够调剂血液凝固，阻碍细胞表面上的细菌定植，并绑定，稳固，和释放细胞因子。

多糖和凝血

多糖通过几个已被用来阻碍材料表面的血液相容性机制与凝血彼此作用。

糖化表面可能仿照具有生化活性的糖萼血管管腔，表现出类磷酸酯粘多糖性质。

[57]在35年前，奥尔森和同事开始调查肝素表面血液成份的彼此作用。

这项工作说明，肝素表面能降低血小板粘附。

[78，79]，但他们后来讲明单独降低血小板粘附不足以排除血栓形成，肝素表面在纳米尺度的形态关于减少血栓形成也起到了超级重要的作用，通过由纤维蛋白原从血浆吸附来定量描述。

[80]在1980年，这说明聚乙烯表面修饰利用硫酸取代，肝素，硫酸乙酰肝素，硫酸软骨素，硫酸葡聚糖都能够绑定和保留重要的凝血活性酶即凝血酶。

[81]但是，肝素表面也能够通过对血浆或抗凝血酶III曝光使凝血酶失效。

[81，82]由于这一开辟性工作使得明白得多糖表面与凝血反映的彼此作用，肝素与其他凝血因子的彼此作用机制被详细地描述。

[57]这已经致使聚糖普遍利用，尤其是肝素，以提高表面的血液相容性。

肝素修饰用于改善血液相容性的材料包括聚砜，聚对苯二甲酸乙二酯，聚乙烯，聚