层层自组装技术(Layer-by-layer self-assembly, LBL)是最近二十年出现的一种借助分子之间的弱相互作用(例如静电作用、氢键、配位键等)形成自组装多层膜体系的技术。层层自组装技术操作简单、对制备环境及设备要求不高，自组装基材的选择也非常广泛，是一种在基地上构建多层膜的简单方法。基于层层自组装技术的种种优点，LBL技术构建多层膜在生物医疗领域有着十分重要的临床应用价值。
一、LBL技术应用
1.LBL技术改性的3D打印支架用于抗骨肿瘤治疗和骨再生
首先采用3D打印技术构建了具有良好柔韧性的明胶水凝胶支架。其次，合成了聚多巴胺杂化纳米 ZIF-8 MOFs，用于负载骨诱导生长因子及抗肿瘤药物。最后，利用层层自组装技术，以酚羟基为媒介，将负载药物的纳米MOFs组装在3D打印明胶支架表面形成双药物智能缓释系统。通过设计不同载药纳米颗粒在支架表面的组装次序和层数的变化得到不同的的组装涂层，使得负载骨形态发生蛋白(BMP-2)的pZIF-8 nanoMOFs分布在涂层最底层，而载顺铂的pZIF-8 nanoMOFs分布在涂层的表层，实现了顺铂和BMP-2的可控程序性释放，从而使肿瘤治疗和骨修复在时间和空间上协调匹配，达到了骨肿瘤的一体化治疗的效果。
图1 LBL用于3D打印明胶支架组装示意图
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2.使用LBL改性纳米纤维垫加速皮肤伤口愈合并减轻过度疤痕形成
研制一种能加速伤口愈合、实现无疤愈合的理想创面敷料是众多研究者的终极目标。采用共静电纺丝法制备了仿生丝素(SF)/聚己内酯(PCL)基质，并通过静电逐层自组装(LBL)技术将带正电的壳聚糖(CS)和带负电的I型胶原(COL)沉积在纳米纤维毡上。扫描电镜图像表明，随着LBL工艺的进行，SF/PCL纳米纤维的平均纤维直径变大，表面出现了越来越多的不规则突起。化学结构和组成的研究进一步证实了CS/COL的成功沉积。抗拉强度和水接触角试验表明，LBL改性垫的力学性能增强，亲水性良好。此外，LBL结构垫具有良好的抗菌活性和较好的促进细胞附着、生长和增殖能力。
图2 抗菌活性(a)金黄色葡萄球菌；(b)大肠杆菌
最终，在大鼠模型体内创面愈合试验显示，LBL结构垫可通过TGF-b/Smad信号通路缩短创面闭合时间，增加胶原蛋白生成，缓解过度瘢痕形成，显示了纳米纤维垫在皮肤再生方面的潜在应用价值。
图3 (a)第7天各组代表性HE染色图；(b)第21天马松三色染色图；(c)有代表性的疤痕测量图；(d)第21天各组疤痕厚度。
3.LBL结合静电纺丝技术显著提高丝素蛋白纳米纤维的抗菌性能
通过层层自组装(LBL)将壳聚糖(CS)和聚多巴胺(PDA)引入到电纺纳米纤维SF毡中，从而获得增强的抗菌能力和细胞相容性。沉积15个双层后，在潮湿条件下，垫子的拉伸模量从2.16MPa(原始SF垫子)增加到4.89MPa。随着垫子上更多的双层涂层，还探究了材料的亲水性。此外，LBL结构垫对大肠杆菌和金黄色葡萄球菌的抗菌能力提高了98％以上。另外，在L929细胞的增殖实验中观察到生物相容性的提高。
图4 不同垫层上活细胞(绿色)和死细胞(红色)的荧光显微图(a)阳性对照组；(b)SF；(c)(cs/PDA)5；(d)(CS/PDA)10；(e)(CS/PDA)15；(f)阴性对照组。
4.LBL沉积制备葡萄糖胺/胶原组装仿生纳米纤维垫用于软骨工程
选择力学性能良好的聚己内酯(PCL)作为底物，将具有软骨保护功能的d-氨基葡萄糖(GAS)和I型胶原(COL)涂覆在PCL纳米纤维表面。LBL组装后，GAS/COL成功沉积，力学性能改善，表面亲水性显著改善。LBL结构垫可诱导GlcAT-I表达并降低IL-1β诱导的rAC中白细胞介素-1β(IL-1β)和基质金属蛋白酶13(MMP13)的表达。此外，SCID小鼠的皮下模型进一步证实了GAS/COL修饰的PCL垫可以促进rAC的GAG产生和II型胶原蛋白表达。
图5 (a, b)细胞活力结果和；(c)rACs在制备的PCL垫和LBL修饰垫上的代表性的SEM图。
5.壳聚糖/胶原蛋白多层LBL改性纳米纤维垫增强的细胞相容性
通过共静电纺丝制造了具有优异机械性能的聚己内酯和尼龙 6 纤维垫。然后通过逐层(LBL)技术将具有抗菌性能的带正电荷的壳聚糖和具有良好生物相容性的带负电荷的胶原组装在纳米纤维垫上。LBL改性后纤维垫的组成和结构发生了显着变化。细胞生物学实验表明，LBL修饰降低了纤维垫的细胞毒性，提高了其生物相容性。此外，LBL结构的纤维垫可以促进细胞生长、增殖和粘附。抗菌试验证实了其优异的抗菌活性。
图6 (a)L929成纤维细胞的FE-SEM形态；(b)L929细胞在不同基质上体外培养3d后的DAPI图像。
二、总结
层层自组装技术作为生物医药领域的一项新兴技术，经过多年不断的更新和发展逐渐成熟起来，其在基础性研究中取得突破性进展的同时，将基础性研究的成果逐步进行体内/外效果测试、评价，并运用于临床，其研究与开发对拓展高性能生物医用材料具有重要的理论意义和现实价值。
