近年來，水凝膠和海綿作為生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域中兩類主要的生物材料，雖各具優(yōu)勢，卻也存在明顯局限。水凝膠因其分子級水合網(wǎng)絡(luò)易發(fā)生膨脹，機(jī)械性能較差；而海綿則缺乏粘彈性，難以模擬人體組織的力學(xué)行為。人體組織本身卻能在高水合狀態(tài)下保持不膨脹、抗壓縮的特性，同時具備優(yōu)異的力學(xué)適應(yīng)性和生物活性。目前，尚未有一種材料能同時實現(xiàn)這些性能，這成為組織工程和再生醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的一大挑戰(zhàn)。

為此，北京大學(xué)口腔醫(yī)學(xué)院徐永祥副教授、林紅研究員合作，成功開發(fā)出一類仿生納米纖維海綿水凝膠（spongyhydrogels）。該材料通過霍夫曼斯特效應(yīng)與低溫協(xié)同誘導(dǎo)組裝策略，實現(xiàn)了介于水凝膠與海綿之間的結(jié)構(gòu)尺度與水合狀態(tài)，兼具不膨脹、高壓縮性和粘彈性，顯著促進(jìn)了細(xì)胞粘附、增殖與體內(nèi)傷口愈合，并可負(fù)載功能性金屬離子，拓展了其在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用前景。相關(guān)論文以“Bioinspired Nanofibrous Spongyhydrogels via the Hofmeister Effect and Thermally Co-Induced Assembly”為題，發(fā)表在

Advanced Functional Materials

研究團(tuán)隊首先通過將殼聚糖溶解于乙酸溶液，并滴加氯化鈉溶液，在-20℃下快速組裝形成納米纖維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)（CHNF）。該過程在10分鐘內(nèi)即可完成，效率遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)的冷凍干燥或自組裝方法。隨著NaCl濃度的增加，材料的納米纖維結(jié)構(gòu)逐漸致密，從具有大孔的分級結(jié)構(gòu)（3% NaCl）過渡為均勻的納米纖維網(wǎng)絡(luò)（4%和5% NaCl），顯示出霍夫曼斯特效應(yīng)在調(diào)控聚合物聚集過程中的關(guān)鍵作用。

圖1. 海綿水凝膠橋接水凝膠與海綿的概念示意圖，具有中間結(jié)構(gòu)尺度與水合狀態(tài)。結(jié)構(gòu)尺度：海綿 > 海綿水凝膠 > 水凝膠；水合狀態(tài)：水凝膠 > 海綿水凝膠 > 海綿。

圖2. 通過霍夫曼斯特效應(yīng)與熱協(xié)同誘導(dǎo)組裝制備納米纖維海綿水凝膠的過程。（A）制備流程示意圖；（B）5% NaCl殼聚糖溶液在低溫處理前；（C）經(jīng)-20°C處理并恢復(fù)至25°C后形成的CHNF；（D–F）不同NaCl濃度（3%、4%、5%）下CHNF的SEM圖像及對應(yīng)的海綿水凝膠照片。

通過流變學(xué)、FT-IR和XRD等測試，研究人員發(fā)現(xiàn)隨著NaCl濃度提高，殼聚糖分子間氫鍵增強(qiáng)，網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)更加緊密，材料的結(jié)晶度也相應(yīng)提高。低溫（-20°C）可顯著加速組裝過程，而在較高溫度下（如8°C）則無法形成水凝膠，說明該過程高度依賴溫度與鹽濃度的協(xié)同作用。

圖3. 不同NaCl濃度下溶液與CHNF的性質(zhì)。（A）粘度曲線；（B）頻率掃描測試；（C）FT-IR光譜；（D）XRD圖譜；（E）CHNF與海綿水凝膠的照片；（F）LF-NMR測定的水合狀態(tài)。

隨后，通過檸檬酸鹽離子交聯(lián)，CHNF轉(zhuǎn)化為最終的海綿水凝膠。交聯(lián)后材料透明度下降，體積發(fā)生不同程度收縮，其水合狀態(tài)經(jīng)LF-NMR分析表明，其中90%以上為“中間水”，這與傳統(tǒng)水凝膠（以結(jié)合水為主）和海綿（以自由水為主）形成鮮明對比，實現(xiàn)了真正意義上的“中間水合狀態(tài)”。

圖4. 溫度與NaCl對組裝過程的影響。（A）DSC曲線；（B–E）5% NaCl溶液在不同溫度下的動態(tài)流變行為；（F）相圖；（G）DLVO理論示意圖。

在力學(xué)性能方面，海綿水凝膠表現(xiàn)出類似人體組織的應(yīng)變率強(qiáng)化效應(yīng)和顯著的粘彈性行為。其彈性模量隨壓縮速率增加而上升，循環(huán)加載-卸載曲線中出現(xiàn)明顯的滯回環(huán)，應(yīng)力松弛過程主要由孔彈性機(jī)制主導(dǎo)。材料在水中浸泡一個月仍保持尺寸穩(wěn)定，具備優(yōu)異的抗膨脹性和可壓縮回復(fù)性。

圖5. 海綿水凝膠的力學(xué)性能。（A）不同壓縮速率下的彈性模量；（B–E）海綿與不同海綿水凝膠的應(yīng)力-應(yīng)變曲線；（F–I）加載-卸載曲線；（J）應(yīng)力松弛曲線；（K）水中浸泡一個月后的形態(tài)；（L）壓縮-再水化循環(huán)后的高度保持率。

體外降解實驗顯示，海綿水凝膠比傳統(tǒng)海綿降解更快，因其具有更大的比表面積，更易于與溶菌酶接觸。生物學(xué)實驗進(jìn)一步表明，該材料能顯著促進(jìn)L929細(xì)胞增殖與粘附，RNA測序分析揭示其上調(diào)了多種與細(xì)胞粘附相關(guān)的基因（如Itgav、Icam1等），表現(xiàn)出良好的生物活性。

圖6. 體外降解行為：（A–D）海綿與不同海綿水凝膠在不同時間點(diǎn)的形態(tài)變化。

圖7. 體外細(xì)胞增殖與粘附：（A）CCK-8檢測；（B）細(xì)胞粘附熒光圖像；（C）差異表達(dá)基因火山圖；（D）GO富集分析；（E）GSEA分析；（F）細(xì)胞粘附相關(guān)基因熱圖。

在大鼠全層皮膚缺損模型中，海綿水凝膠組表現(xiàn)出最快的傷口愈合速率、最成熟的膠原纖維排列、最高的I型膠原含量及I/III型膠原比，同時炎癥反應(yīng)最低，α-SMA表達(dá)減少，表明其具有促進(jìn)再生、減少瘢痕形成的潛力。

圖8. 大鼠傷口愈合實驗：（A）傷口照片；（B）愈合率統(tǒng)計；（C–D）H&E與Masson染色；（E）天狼星紅染染色；（F）膠原定量分析。

此外，該組裝策略具有良好的通用性，可通過引入不同金屬陽離子的氯化物鹽，進(jìn)一步拓展其在止血、抗菌和組織修復(fù)等方面的功能應(yīng)用。

圖9. 免疫組化染色（第14天）：（A–B）炎癥因子IL-6與TNF-α；（C–D）抗炎因子IL-10與TGF-β；（E）α-SMA表達(dá)。

綜上所述，該類仿生納米纖維海綿水凝膠通過精巧的結(jié)構(gòu)設(shè)計與可控制備，成功融合了水凝膠與海綿的優(yōu)勢，在組織工程、藥物遞送和生物電子接口等領(lǐng)域展現(xiàn)出廣闊的應(yīng)用前景。

來源：高分子科學(xué)前沿

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