Adv Mater：蛋白质模板和机械训练协同构建软骨适应性水凝胶

摘要

软骨作为一种高含水量的承重组织，具有优异的弹性和高强度。然而，开发与软骨适配的生物材料以替代或再生受损软骨组织仍面临巨大挑战。本研究通过整合蛋白质模板与机械训练策略，制备了晶体介导的定向壳聚糖纳米纤维水凝胶（O-CN凝胶），其力学性能与含水量均与天然软骨相似。O-CN凝胶的含水量约为74 wt%，并展现出高拉伸强度（≈15.4 MPa）、杨氏模量（≈24.1 MPa）、优异的生物相容性、抗膨胀性和抗菌能力。将其植入大鼠尾部椎间盘缺损模型后，O-CN凝胶可有效封堵纤维环缺损，维持椎间盘高度并预防髓核突出。这种蛋白质模板与机械训练的协同策略为设计高力学性能水凝胶（尤其是承重组织修复领域）提供了新思路。

1. 引言

人体承重组织（如骨骼肌、关节软骨、纤维环和半月板）需承受运动、负重和碰撞等机械应力。例如，含水量高达60%-80%的软骨需在弹性模量≈5–30 MPa、压缩模量≈0.24–1 MPa的条件下承受机械运动。然而，目前大多数生物相容性水凝胶的力学性能不足，难以满足承重组织修复的需求。壳聚糖作为一种天然碱性多糖，因其生物相容性、可降解性和抗菌性被广泛应用于组织工程。然而，传统壳聚糖膜在湿润状态下力学性能较差。本研究提出了一种协同策略，通过牺牲蛋白质模板（如明胶或丝素蛋白）和机械训练，制备兼具高力学性能和高含水量的壳聚糖水凝胶。该策略通过碱性环境降解蛋白质网络，形成晶体介导的随机壳聚糖纳米纤维凝胶（R-CN凝胶），再通过机械拉伸诱导纤维定向排列，最终获得定向壳聚糖纳米纤维凝胶（O-CN凝胶）。

2. 结果与讨论

2.1 晶体介导定向壳聚糖纳米纤维水凝胶的制备与表征

通过四步法制备O-CN凝胶（图1A）：1）明胶与壳聚糖溶液混合形成半互穿网络凝胶（CG凝胶）；2）乙醇部分脱水增强明胶网络密度，形成双网络凝胶（DN CG凝胶）；3）在NaOH溶液中降解明胶，形成随机纳米纤维凝胶（R-CN凝胶）；4）机械训练使R-CN凝胶沿拉伸方向定向排列，形成O-CN凝胶。扫描电镜（SEM）显示，O-CN凝胶具有与纤维环相似的定向纳米纤维结构（图1B）。O-CN凝胶的拉伸强度（15.4 MPa）和杨氏模量（24.1 MPa）与天然软骨（5–30 MPa）相当，含水量为74 wt%（图1C）。傅里叶变换红外光谱（FTIR）和荧光标记实验证实明胶在碱性环境中完全降解，仅保留壳聚糖网络（图2F–H）。

2.2 力学性能

O-CN凝胶表现出显著的各向异性：平行于纤维方向（Ⅰ）的拉伸强度（15.4 MPa）是垂直方向（⊥）的3倍（图4B）。循环压缩测试表明，R-CN凝胶在10,000次压缩后仍保持结构完整，且压缩模量从0.9 MPa提升至1.8 MPa（图3E–H）。此外，O-CN凝胶的抗菌实验显示其对大肠杆菌（95%）和金黄色葡萄球菌（63%）具有显著抑制作用。

将O-CN凝胶植入大鼠尾部椎间盘缺损模型后，Micro-CT和MRI显示其能有效维持椎间盘高度和髓核含水量（图6）。组织学分析表明，O-CN凝胶组的结构与健康组相似，且未出现髓核突出（图7）。免疫组化显示，O-CN凝胶组的蛋白聚糖（ACAN）和I型胶原（Col I）表达水平显著高于对照组，进一步验证其修复效果。

2.4 通用性验证

除明胶外，丝素蛋白也可作为牺牲模板制备O-CN凝胶（O-CN(SF)凝胶），其拉伸强度达12.8 MPa，含水量为92 wt%（图8）。这表明该策略适用于多种蛋白质体系，具备广泛的应用潜力。

3. 结论

本研究通过蛋白质模板与机械训练的协同策略，成功制备了高强度、高含水量的O-CN凝胶。其力学性能与天然软骨匹配，并具备优异的生物相容性和抗菌性。动物实验证实O-CN凝胶可有效修复纤维环缺损，延缓椎间盘退变。未来研究可进一步优化凝胶性能，探索其在大型动物模型中的应用潜力。