高被引科学家丨生物高分子材料领域顶尖学者——陈学思院士

学者名片

陈学思，中国科学院院士，中国科学院长春应用化学研究所研究员、博士生导师，中国科学院生态环境高分子材料重点实验室学委会副主任。

研究成果介绍

背景介绍

水凝胶，即亲水或两亲的高分子通过物理或共价键交联形成网络，是一类粘弹性材料，按质量计为70-99％的水，保留在交联的高分子网络中。无催化快速交联对共价交联的水凝胶构建具有非凡的意义。到目前为止，已制备的用于形成共价交联的水凝胶的反应，羰基和N-亲核试剂之间的缩合反应已很成熟地用于生物医学及水凝胶领域。

图文解读

1. 功能聚合物合成

作者首先合成了OPA或N-亲核试剂端基的各种形式的4aPEG，其中包括了以OPA端基的4aPEG（4P-OPA），酰肼末端的4aPEG（4P-NHNH2），伯胺末端的4aPEG（4P-NH2）和氨氧基末端的4aPEG（4P-ONH2）（图1）。

图1.（A）用于水凝胶形成的结构单元的结构。（B）由A中的材料形成水凝胶的示意图。（C）OPA（或PhCHO）与摩尔比为1：1的各种N-亲核试剂之间形成键的推定机理。

2. 胶凝原理讨论

作者为理解4P-OPA凝胶的交联机理，核磁氢谱发现分配给OPA水合物的化学位移分别是6.44和6.15 ppm（图2A）。另外，用紫外光谱评估了邻苯二甲酰亚胺形成的动力学（图2B）。混合OPA与氨基甲酸乙酯5 mins后，核磁氢谱显示该混合物由水合物和IHBA（5.67和5.45 ppm）组成，其中水合物/IHBA的摩尔比为53:47（图2C和D）。因为残留的醛基团进行亲核攻击，导致了环化产物2-(ethoxycarbonyl)-1,2-dihydro-phthalazin-1-ol产生（图2E）。

图2.（A）在D2O / DMSO-d6中，核磁氢谱分析OPA与甲胺反应时间的依赖性。（B）紫外谱仪监测邻苯二甲酰亚胺形成。（C）核磁氢谱监测OPA与氨基甲酸乙酯反应时间的依赖性（D）核磁氢谱积分计算化合物的百分比。（E）2-(ethoxycarbonyl)-1,2-dihydro-phthalazin-1-ol氢-碳光谱。

3. 生物降解研究

OPA与N-亲核试剂的强反应活性为获得各式各样水凝胶（天然的和合成的）给予了广泛通用性的方法。另外，作者研究了4P-OPA和其他含N-亲核试剂的化学反应（图3A）。将4P-OPA与所有聚合物混匀后，导致试剂瓶测试与流变学测量（扫描时间）论述了其可在15 秒至300秒内合成水凝胶，这将取决于含N-亲核试剂的聚合物类型以及高分子的浓度（图3B）。随着增加高分子浓度，成胶的时间将降低，同时明显增强了水凝胶的模量（图3C–G）。掺杂多种高聚物（天然的或合成的）可使水凝胶具有调节生物降解的特性（图3H-I）。

图3.（A）4P-OPA与各种含N-亲核试剂高聚物（天然的和合成的）反应的合成方案。（B）不同高聚物浓度的混合成胶时间。（C-G）A中流变学测量（扫描时间）各种组合成胶的过程。（H-I）分别为4P-OPA/HA-ADH和4P-OPA/BSA水凝胶的溶胀和降解曲线。

4. 生物体外活性测试

作者在pH 7.4（生理pH）和4.0（可催化碳氮双键水解的酸性条件）下，评估了基于4P-OPA的水凝胶在PBS中的溶胀和降解行为。5％4P-OPA/4P-NHNH2水凝胶在pH 7.4下显示9周的良好水解稳定性（图4A）。相比之下，相同的水凝胶在pH值为4.0的前8周中溶胀率明显增加，这可能与在酸性条件下含键的连续水解引起的交联密度逐渐降低有关。如图4B展示了当以浓度高达1000 mg L-1的所有基于4aPEG的大分子单体培养48 h时，细胞活力保持超过90％，表明水凝胶前体聚合物没有细胞毒性。为了研究掺入c（RGDfK）后水凝胶的细胞粘附特性的变化，将NIH 3T3成纤维细胞接种到水凝胶表面12 h后观察其粘附和铺展形态。在经过c（RGDfK）修饰的4aPEG水凝胶上，在带有肌动蛋白束的成纤维细胞的前缘观察到丝状伪足和片状脂质过氧化物（图4E），表明细胞健康黏附和扩散。此外，如细胞计数试剂盒8（CCK-8）分析所显示，发现细胞粘附在水凝胶表面并在5天内增殖（图4F）。相比之下，几乎没有细胞粘附或散布在未经c（RGDfK）修饰的4aPEG水凝胶上。因此，结果清楚地证明了OPA化学作为将生物活性肽或蛋白质掺入水凝胶的直接方法的潜力。

图4.（A）分别在pH 4.0和7.4的PBS中5％ 4P-OPA/4P-NHNH2水凝胶的溶胀和降解曲线。（B）通过MTT测定法测定的与端基修饰的4aPEG孵育48小时后L929细胞的生存力。（C）封装在2％4P-OPA / 4P-NHNH2水凝胶中的L929细胞的活/死细胞染色图像。（D）通过OPA和氨基之间的反应用带有胺的生物活性肽对4P-OPA / 4P-NHNH2水凝胶进行功能化的示意图。（E）水凝胶上NIH 3T3细胞的共聚焦激光扫描显微镜（CLSM）图像（F）通过CCK-8方法测定的RGD修饰的4aPEG水凝胶上NIH 3T3细胞的增殖。

陈学思介绍

“从0到1的原始创新很重要，可以解决基础研究领域的科学问题；从1到100的集成创新也很重要，可以解决转化应用的技术难题。”——陈学思院士

工作教育经历

陈院士1982年本科毕业于吉大化学系；1988年研究生毕业于应化所并留所工作；1993年留学日本早稻田大学；1997年获得早稻田大学博士学位；1997年至1999年在美国宾夕法尼亚大学从事博士后研究；1999年招聘回中国科学院长春应用化学研究所工作，先后担任研究员、博士生指导教师；2004年获得国家杰出青年科学基金资助；2013年入选科技部科技创新创业人才和万人计划；2016年入选国际生物材料与工程联合会会士；2019年当选为中国科学院院士。2021年4月，被中华全国总工会授予“全国五一劳动奖章

研究领域

陈学思主要从事生物降解医用高分子材料、组织工程和药物缓释、聚乳酸和聚-己内酯产业化等方向的研究与开发工作

主要成果

在高分子化学研究领域，构建了手性聚合化学—手性聚合工程—手性聚合物应用的系统研究模式，在手性聚合领域形成了特色研究方向。在设计合成高旋光纯度的聚乳酸和聚氨基酸两大类聚合物过程中，提出了“分子内多核协同”催化、聚氨基酸材料“仿生多级结构构建”、“无机纳米粒子表面羟基直接引发手性单体开环聚合”等创新思想。利用上述研究思想，攻克了手性聚合系列化学与工程难题，实现了万吨级聚乳酸稳定生产，获得了聚乳酸可吸收接骨螺钉和接骨板两项国家医疗器械注册证（III类）。陈学思院士在J Am Chem Soc、Adv Mater、Biomaterials和Macromolecules等期刊上发表系列研究论文，SCI论文他引近36000余次，h-指数95，2020年-2022年连续3年获得科睿唯安全球“高被引科学家”称号。获授权专利235项，省部级一等奖4项。2016年入选国际生物材料科学与工程学会联合会会士；2019年入选中国科学院院士。

近期代表作

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