水凝胶由于其亲水性、柔韧性、渗透性可控等特性，是软组织再生的理想支架材料。尽管在提高水凝胶的机械性能方面取得了显著进展，但在将其用于生物医学应用，特别是用于组织再生之前，必须解决其低生物相容性问题。因此，迫切需要开发具有良好组织再生能力的坚韧水凝胶来满足这些生物医学需求。组织的天然细胞外基质（
ECM
）具有复杂的纳米结构，其中的拓扑特征在干细胞功能的调节中起着至关重要的作用。这些特征影响着各种细胞反应，包括附着、迁移、增殖和分化，从而实现了不同功能的表现。由于软组织的性质与其结构密切相关，诱导原生组织的纳米结构是软组织再生成功的先决条件。因此，将天然
ECM
的纳米结构特征与坚韧的水凝胶相结合，可以为细胞行为的调节和组织再生的改善提供可观的好处。
全南大学
Jangho
Kim
教授、伊利诺伊大学
Hyunjoon
Kong
教授和
蔚山科学技术研究所
Hoon
Eui Jeong
教授合作，
开发了一种具有纳米结构的坚韧石墨烯复合水凝胶（
GTH
）。
GTH
水凝胶表现出显著的力学性能，同时表现出类似于软组织细胞外基质的排列纳米结构。
GTH
水凝胶具有优异的拉伸性、回弹性、韧性和生物相容性。此外，水凝胶显示出出色的组织再生能力
(
如皮肤和肌腱
)
。总之，所提出的
GTH
水凝胶可能为坚韧水凝胶在组织再生中的应用提供了重要的见解。
相关研究成果以
“
Graphene Hybrid
Tough Hydrogels with Nanostructures for Tissue Regeneration
”
为题发表在
24
年的
《
Nano Letters
》
上。
【
文章亮点】
(1)
GTH
水凝胶表现出显著增强的力学性能，
TH/G 5%
的应力、应变和模量达到
1.84 MPa
、
2100%
和
11.2
MPa
，相比于
TH
提升近
2
倍。增强的回弹性、拉伸性和韧性可能归因于氧化石墨烯的掺入。石墨烯中的官能团与
Alg-PAAM
双网络相互作用，其静电相互作用和氢键提供了与
Alg-PAAM
链的强连接。
(2)
通过创建三个全层皮肤缺损，使用无菌伤口敷料，
TH
或
TH/G 3%
进行治疗。
7
天后通过
H&E
和
MT
染色评估水凝胶的创面愈合效果，缺损组和
TH
组的组织仅表现为薄的表皮和真皮层，没有足够的胶原纤维形成，
TH/G 3%
组的再生的真皮层中发现了新形成的毛囊，表明其组织再生能力优于
TH
。进一步研究了
GTH
在肌腱中的再生潜力。修复组和
TH
组的
H&E
染色表明了再生肌腱胶显示出稀疏的胶原排列和组织结构。相比之下，
TH/G 3%
组的再生肌腱表现出组织良好、高度排列和更致密的胶原纤维。
(3)
GTH
卓越的组织再生能力归因于纳米结构和氧化石墨烯的协同作用，氧化石墨烯由于其独特的纳米结构和丰富的亲水官能团，可以显著提高细胞亲和力，从而增强细胞反应。组织愈合过程中，附着的宿主组织细胞被纳米结构拉长，这种延伸可能促进细胞向缺陷部位的迁移，由于纳米结构诱导的细长细胞形态，促进宿主组织细胞的分化和成熟，这可能随后加速愈合过程。
图
1.
制造具有高韧性、可拉伸性和生物相容性的
GTHs
的策略。
