近期，华南理工大学王小英教授团队和暨南大学查振刚教授、张还添副教授团队在科爱创办的期刊Bioactive Materials上联合发表论文：通过模拟胶原形成纳米粒子，并通过粒子间光交联制备了一种可注射、软而韧、且抗溶胀的纳米纤维水凝胶用于促进伤口愈合。通过小鼠创面愈合实验发现，与对照组（65.2%）相比，该凝胶治疗组在第7天便可实现90.8%的愈合率，并且在第11天实现完全愈合。
1、研究内容简介
软的水凝胶因其与软组织相似的低模量（<10 kPa），有利于干细胞分化为软组织的细胞系，常用于软组织修复。传统水凝胶主要是合成聚合物，尽管它们的硬度低、强度适当，但是其生物降解性差、过度溶胀和潜在的毒性大大限制了它们的临床应用。最近，天然聚合物，如多糖等，已被用于制造生物相容性好、可降解的软水凝胶。然而，仍需解决不可控溶胀和机械强度较差的问题。此外，作为植入材料，可注射水凝胶比预制水凝胶具有更多优势。因而，具有可注射、软而韧和抗溶胀等功能的天然聚合物水凝胶是软组织修复的理想材料，但目前很少有研究致力于开发此类水凝胶。基于此，本课题组通过模仿胶原原纤的纳米结构和两亲性，提出了一种结合自组装和化学交联的策略，用于制备可注射、生物相容、可生物降解、低硬度、高抗压强度和抗溶胀的水凝胶，而无需合成聚合物。同时证实了其在3D打印和促进伤口愈合中的巨大潜力。
图1. HML纳米复合水凝胶的制备及应用示意图
HML纳米复合材料的制备及其相互作用机制
该研究使用甲基丙烯酰化羟丙基壳聚糖（HM）与锂皂石（LAP）进行物理混合，获得HML纳米复合材料。研究发现，随着LAP加入量的增加，所得纳米复合材料的尺寸逐渐变小。
图2. HML纳米复合材料的表征
通过实验以及分子动力学模拟的结果，我们推测LAP通过静电和氢键作用与HM发生自组装并被包覆，同时在LAP上吸附的HM通过氢键自组装形成紧密的HM聚合物层，进而形成表面带光交联基团的纳米粒子。在一定浓度的HM溶液中，低浓度的LAP可被足够的HM高度覆盖LAP表面，并完全屏蔽LAP的自然电荷，从而产生大尺寸的纳米颗粒。而随着LAP的含量增多，每个LAP中可吸附的HM链数量因相互竞争而减少，导致纳米颗粒变小。
图3. HML纳米复合材料的相互作用机制
HML纳米复合水凝胶的结构及性能表征
HML纳米复合材料可以填充复杂的形状并在紫外光照射下原位形成水凝胶。通过冷冻扫描电镜可以发现，HM基水凝胶均显示出三维多孔的纳米结构。当锂皂石的含量为5 g/mL时，水凝胶内部网络的纳米纤维直径增加到50 nm，并且形成的结构明暗相间，与胶原原纤的纳米结构相似。这表明，紫外光照射后，纳米颗粒的双键发生交联形成纳米纤维交织的三维交联网络。
图4. HML水凝胶的微观结构特征及溶胀行为
可原位形成的水凝胶可用于填充缺陷，因此抗溶胀性能非常重要，其可防止水凝胶过度溶胀导致凝胶破裂。通过测试发现，HML复合水凝胶在生理环境下均具有良好的抗溶胀性能。
图5. HML水凝胶的机械性能
通过对不同交联时间、HM取代度以及LAP加入量制备的水凝胶进行机械性能测试发现，随着LAP含量和化学交联的增加，纳米复合水凝胶的抗压强度呈现出先上升后下降的趋势。其中，HM2L5水凝胶表现出快速制备（2 min）、大应变（76%）、低模量（1.83 kPa）和最高压缩强度（709.9 kPa）的优异性能。与现有可注射的天然聚合物软水凝胶相比具有明显优势。
纳米复合微凝胶的3D打印性能
为了使水凝胶获得可打印以及先进制造的能力，本研究利用预交联及机械挤压的方式制备了HML纳米复合微凝胶墨水，使其实现了保真度较高的3D打印，拓宽了该凝胶在3D打印及个性化定制组织工程中的应用。
图6. 复合海绵的体内外止血性能
纳米复合水凝胶的体外生物相容性和生物效率
由于原位形成的水凝胶作为凝胶前驱体接触细胞/缺陷部位，因此对凝胶前驱体和形成凝胶的生物相容性均进行了评价。结果表明，光交联前后的纳米复合材料具有良好的生物相容性，在组织工程应用中是安全的。同时我们发现，LAP加入后可显著促进L929细胞的迁移以及内皮细胞的成管效率。
图7. 纳米复合水凝胶的体外生物学评价
复合海绵的降解及促伤口愈合能力
水凝胶在体外和体内的降解特性对于生物材料和组织工程至关重要。我们发现所有水凝胶体内外均具有良好的降解能力，在皮下植入7天后即可完全降解。
为了评估复合纳米水凝胶的促伤口愈合性能，在小鼠背部建立了创伤模型。与对照组和HM2水凝胶相比，使用HM2L5微凝胶和HM2L5水凝胶治疗的伤口在第3天愈合已展现出更快的愈合速度。通过对第7天和第11天的组织进行H&E、Masson和免疫荧光染色发现，HM2L5微凝胶和HM2L5水凝胶组在第7天的新生肉芽组织更多，在第11天时创面完全愈合，同时显示出更高的胶原密度和更多的成熟血管。这些结果表明，HM2L5水凝胶可加快细胞迁移和新生血管形成，从而促进伤口愈合。此外，微凝胶处理不会损害HM2L5水凝胶原有的促创面愈合能力，进一步证明HM2L5微凝胶在个性化定制伤口敷料方面的巨大潜力。
图8. 纳米复合水凝胶的体内降解及创面愈合能力
结论
本研究通过利用自组装和化学交联结合的策略，开发出了一种具有低硬度、高抗压强度、抗溶胀、可载药和生物降解的胶原纤维状可注射水凝胶。为了制造这种新型水凝胶，HM和LAP首先通过静电和氢键作用自组装成纳米颗粒，然后通过光交联进一步相互交联，形成胶原纤维状网络。这种网络由HM分子链的熵弹簧行为、聚合物-粘土的可逆物理交联和强韧的化学交联组成，使得应力有效耗散，从而形成一种柔韧的水凝胶。由于自组装引起的分子链运动受限和HM两亲性的协同作用，纳米复合水凝胶在不同的溶剂中表现出显著的抗溶胀行为。此外，纳米复合水凝胶可加工成三维打印的微凝胶，且形状保真度高，因此有望成为大尺寸和复杂构造的生物材料。同时，HM2L5水凝胶和微凝胶在体外表现出很高的生物相容性，在体内也具有出色的伤口愈合能力和生物降解性。这些结果共同证明了这种新型仿生水凝胶在伤口敷料等各种软组织工程应用中的巨大潜力，并为仿生纳米纤维软水凝胶的开发提供了一个通用的策略。
2、原文信息
Shanshan Li, Xiaoyun Li, Yidi Xu, Chaoran Fan, Zhong Alan Li, Lu Zheng, Bichong Luo, Zhi-Peng Li, Baofeng Lin, Zhen-Gang Zha, Huan-Tian Zhang*, Xiaoying Wang*.
CollagenFibril-like Injectable Hydrogels from Self-assembled Nanoparticles for Promoting Wound Healing.
Bioactive Materials, 32(2024) 990-1003.
https://doi.org/10.1016/j.bioactmat.2023.09.012
