北理工陈煜教授团队《Mater. Horiz.》：形状可控、高韧性天然高分子水凝胶的构建及其在骨软骨缺损修复中的应用

2023-07-08 来源：高分子科技

由3D亲水网络组成的水凝胶与生物体组织结构相似，是一种理想的组织工程替代支架。随着可持续发展理念和石油基高分子制备成本的不断增加，天然高分子水凝胶因其优异的生物相容性、生物降解性和可调节的理化性质，成为组织工程应用的潜在支架。目前，常通过化学和物理交联的双网络结构提高水凝胶的强度，然而，化学交联方法通常会留下未反应的化学残留物，导致生物相容性差。此外，化学交联结构通常是不可逆的，这使得水凝胶形成过程无法控制。因此，天然高分子基水凝胶在机械支撑和成型可控性之间的矛盾使得制备具有生物活性的水凝胶富有挑战。

针对这一问题，北京理工大学材料学院陈煜教授团队探索了一类形状可控、高韧性天然高分子水凝胶的构建方法。以天然高分子琼脂、海藻酸钠和壳聚糖为原料，通过预成型双效后增强方法制备了一类多网络物理交联（PEMN）水凝胶，解决了组织工程用天然高分子水凝胶强度和可控制备难以同时满足的问题。这项工作探索的方法为多重物理交联水凝胶的制备及其在生物领域的潜在应用提供了新思路。

在本工作中，团队利用琼脂对温度敏感的溶胶-凝胶转变可逆性，采用加热-混合-冷却方法可控制备了具有所需机械强度的预成型水凝胶。进一步，将预成型水凝胶进行双效后增强处理，反应速度可通过酸浓度的选择进行调控。通过预成型后增强方法形成的分级链缠结结构使得PEMN水凝胶具有高韧性。此外，PEMN水凝胶对不规则缺损的适应性、合适的韧性、粘附性能和可降解性有利于为组织和细胞的生长提供机械支撑，诱导内源性细胞矿化，加速软骨和软骨下骨的再生（图1）。

图1. 形状可控、高韧性天然高分子水凝胶的构建及其在骨软骨缺损修复中的应用。

对于预成型水凝胶，在高温下，琼脂可形成均匀且可流动的液相，在特定温度下将海藻酸钠和壳聚糖粉末混合到琼脂的流动态溶胶中，能够形成均匀的复合溶胶。随着温度降低，由于琼脂的螺旋结构转变，复合溶胶表现出热可逆溶胶-凝胶转变行为，经历快速的自凝胶过程，形成第一重交联网络。凝胶化时间可以通过改变聚合物比例来调节。由于其温度敏感特性，溶胶可以通过浇铸到模具中、通过注射器挤出或3D打印成型（图2）。具有自支撑性能的预成型水凝胶可以有效填充和修复不规则形状的缺陷，从而精确定制骨软骨缺损修复材料的外观。

图2. 预成型水凝胶的制备。（A）PEMN水凝胶的溶胶-凝胶转变。（B）浇铸和注射成型。（C）3D打印成型。（D）3D打印成型原理。（E）冷却过程中墨水和琼脂溶液的流变特性。

受到团队前期研究中提出的半溶-酸化-溶胶-凝胶转变（SD-A-SGT）方法的启发，将上述获得的预成型水凝胶进行双效后增强处理，受益于预先形成的第一重交联网络，可在低浓度乙酸溶液中形成均匀的PEMN水凝胶。酸渗透可用于释放Ca²⁺并溶解CTS，CTS上的-NH₂被质子化为带正电的-NH₃⁺，其与SA链上带负电的-COO^-发生静电相互作用，形成第二重交联网络。同时，CaCO₃中的Ca²⁺解离，与海藻酸钠中羧酸钠基团的Na⁺进行离子交换，形成第三重交联网络。PEMN水凝胶的形成时间可以通过调节乙酸的浓度来调节和控制（图3）。

图3. PEMN水凝胶交联结构表征。（A）预成型水凝胶和PEMN水凝胶的XPS分析。（B）PEMN水凝胶及其对照水凝胶的ATR-FTIR结果。（C）后增强过程的原位ATR-FTIR结果。（D）后增强过程中不同乙酸浓度的渗透动力学和拟合。

机械强度是影响关节骨软骨缺损处植入材料支撑性能的重要参数。PEMN水凝胶中的多重物理交联网络使得克服天然聚合物水凝胶在骨软骨缺损修复中机械性能较差的问题成为可能（图4）。PEMN水凝胶的断裂能范围为493.63-2384.67 J m^-2，高于关节软骨的断裂能（~1000 J m^-2）。PENN水凝胶的机械增强可归因于通过预成型后增强方法实现的分级链缠结。通过氢键交联的预成型水凝胶充当连续的支撑层以固定高分子链。静电相互作用和离子交联进一步增强了高分子链之间的相互作用并提供机械耗散效应，形成的分级链缠结增加了交联点的数量，保证了PEMN水凝胶的韧性。此外，反应终点很容易通过后增强方法中水凝胶透明度的变化进行区别和控制，避免了过量的酸进入水凝胶网络破坏支撑层的氢键。这些因素有助于增强机械性能并增加了骨软骨缺损修复的适用性。

图4. 机械行为和形貌表征。（A）水凝胶的拉伸强度。（B）水凝胶的压缩强度。（C）最大拉应力和弹性模量的比较。（D）最大压应力和弹性模量的比较。（E）水凝胶的SEM形貌。

PEMN水凝胶的机械支撑性能、粘附性、生物相容性和可降解性使其具有促进骨软骨缺损修复的潜力（图5），特别是内源性细胞矿化和软骨细胞分化。第12周时，水凝胶组在缺损处表现出更完整的软骨和软骨下骨再生，其BV/TV增加至44.3%，显著高于空白组（15.8%）。上述研究使用的预成型后增强方法可用于制备具有精确定制形状和高韧性的全天然高分子基物理交联水凝胶，在骨软骨缺损修复的临床应用中显示出良好的转化前景。

图5. 植入后第6周和第12周缺损处的软骨和软骨下骨再生。

该成果以“A natural polymer-based hydrogel with shape controllability and high toughness and its application to efficient osteochondral regeneration”为题发表在TOP期刊Materials Horizons上。北京理工大学材料学院2019级博士研究生杨珏莹为第一作者，材料学院陈煜教授为论文通讯作者。

论文链接：https://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2023/mh/d3mh00544e/unauth

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（责任编辑：xu）

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