水凝胶因其优秀的生物相容性和广泛可调的力学性能在生物医学和组织工程领域大放异彩。然而，传统意义上的水凝胶仍然表现出相对较差的力学性能，且其生物活性也有很大改善空间。基于蛋白质合成的水凝胶不仅具备传统水凝胶的特点，还可通过类似于聚合物的动态结构，增强其多功能性，拓展水凝胶的用途。因此，来自武汉纺织大学纺织科学与工程学院的张强教授团队将丝素蛋白（
SF
）引入水凝胶中，并通过加入核黄素（
RF
）和过氧化氢（
H
2
O
2
）实现可持续的循环光交联反应，促进
SF
中的酪氨酸向双酪氨酸转化形成高度交联网络，构建一种具备高适应性、生物活性和多功能性的超强
SF
水凝胶，极大提高了其力学性能、稳定性和适用范围。
首先，作者发现这种水凝胶可在
30-60
秒内实现凝胶化。且在凝胶化过程中，检测到
H
2
O
2
分解后产生的氧气。凝胶化前后的
X
射线光电子能谱（
XPS
）结果表明酪氨酸在光交联反应中减少，
C-C
键增加。荧光激发图像显示二酪氨酸键在凝胶化后显著增加，证明该水凝胶体系按照所预设的成胶原理实现溶液
-
凝胶转变（图
1
）。
FTIR
结果显示水凝胶的二级结构主要由无规则卷曲组成，且
SF
的二级结构在凝胶化过程中保持不变。原位流变检测发现，随着
H
2
O
2
和
RF
浓度的增加，凝胶化时间显著减少；而随着
SF
浓度增加，凝胶化时间则继续增加。力学
-
压缩循环试验发现水凝胶的压缩强度随着
H
2
O
2
和
RF
浓度的增加而逐渐上升。而且在特定底物浓度下形成的水凝胶，在经历
1000
次压缩循环后，仍保持高压缩回弹性。证明该水凝胶的高弹性和稳定性，可满足作为生物载体的力学要求（图
2
）。
接下来，作者评估了水凝胶作为生物载体的潜力。发现水凝胶中的脂肪间充质干细胞（
ADSC
）的细胞活力和铺展状态均良好，且其在
3
周内的增殖程度高于
SF
多孔支架。荧光染色结果显示，在水凝胶中培养
21
天后，细胞中
OCT4
和
SOX2
的荧光强度与组织培养板（
TCP
）上培养
1
天的细胞荧光强度相当，表明水凝胶中细胞依然保持良好的自我更新能力，
PCR
结果也验证了这一趋势，表明
SF
水凝胶能有效地维持干细胞的干性。这一效应可能源于水凝胶二级结构随着时间推移逐渐发生转化所导致的模量增加（图
3
）。
进一步，作者为探索
SF
水凝胶在生物医学设备中的应用，将其制备成骨科常用的螺钉并对螺钉的功效进行评价。发现
SF
水凝胶兼具弹性和韧性，若采用一步注射成型工艺制备成接骨螺钉，可极大节省制备时间，使其规模化生产成为可能。尽管制成的螺钉尺寸在干燥后缩小为原始尺寸的约
70%
，但其螺纹清晰、螺距规则。将螺钉浸入
PBS
中并再次干燥，螺钉的致密结构仍保持不变。但在潮湿状态下，螺钉的抗压性能有所下降。在螺钉上培养的成骨细胞可稳定增殖，细胞在第
7
天时几乎布满螺钉表面。将其植入动物体内，发现螺钉可通过直径稍小的孔牢固地固定在兔股骨的皮质骨中，且
Micro-CT
图像显示螺钉无明显断裂或变形，组织学染色分析也显示螺钉没有引起严重的炎症。上述结果为
SF
水凝胶制备螺钉进行骨植入或器械固定的可行性提供了直接证据（图
4
）。
此外，作者还评估了该
SF
水凝胶制备成微针的功效，发现该微针在去离子水中浸泡
24
小时后，仍保持稳定的结构。荧光图像显示其能有效地穿透小鼠皮肤，深度可达约
120 μm
。人脐静脉内皮细胞（
hUVEC
）在微针上可存活，且在
7
天内都保持较高活性，尽管起初可能受到重力影响，细胞大都聚集在微针根部，但随着时间推移，细胞都能迁移至微针各处，甚至完全覆盖其表面，进一步证实微针有效地支持了
hUVEC
的生长和增殖（图
5
）。
综上所述，作者开发了一种以核黄素（
RF
）和过氧化氢（
H
2
O
2
）为原料、在紫外光照射下可快速光交联的丝素（
SF
）水凝胶。此水凝胶不仅表现出高生物相容性，而且还维持干细胞干性长达
21
天。此外，水凝胶表现出优异的力学性能和多功能性，从而在微针、微载体和骨螺钉的使用中显示应用潜力，加深了在药物递送、疾病诊断和组织修复中应用仿生材料的理解。
该研究由来自来自武汉纺织大学纺织科学与工程学院的
Qiang Zhang
教授团队完成，并于
2024
年
5
月
29
日在线发表于
ACS Nano
期刊。
论文信息：
Renyan Huang, Jiahui Hua, Min Ru, Meng Yu, Lu Wang, Ying Huang*, Shuqin Yan*, Qiang Zhang*, and Weilin Xu, Superb silk hydrogels with high adaptability, bioactivity, and versatility enabled by photo-cross-linking, ACS Nano 2024, 18: 15312-15325.
