Advanced Healthcare Materials:刚柔相济—高性能“自强化”可注射水凝胶用于骨组织修复

高分子水凝胶是理想的载体和细胞外基质。其中,可注射水凝胶因其使用过程中的低损害性和形状可塑性,作为植入材料正受到持续关注。不过,水凝胶的力学性能相对较弱,限制了其作为承力支架的使用。多年以来,人们已经在高机械性能水凝胶的研究中做出诸多精彩工作,但具有注射能力的高性能水凝胶仍鲜有报道,原因之一在于注射加工不同于原位凝胶化,需要较快相转变过程,加之高性能水凝胶的交联度通常较高,使得注射细流间存在的界面难以完全融合,因此影响凝胶的宏观力学性能。

针对这一问题,中国科学院大学的屈小中教授与北京大学第三医院田耘主任医师、中国科学院化学研究所邱东研究员合作,利用动态共价键、电荷、氢键等多重动态相互作用,制备了高分子/无机颗粒杂化双网络水凝胶,通过流变学调控,着重解决水凝胶机械性能和注射能力间的矛盾,继而探索其在骨损伤治疗中的应用。

该工作中,研究者以4-羧基苯硼酸和钙离子通过硼酸酯、静电相互作用与聚乙烯醇形成柔性高分子网络,以聚乙二醇通过氢键与微米尺寸的生物活性玻璃颗粒形成有机/无机杂化刚性网络,上述网络的互穿结构能够保证水凝胶在受到压力作用时同时具有较大的对抗应力和形变量。更重要的是,这种动态交联机制使得该体系具备温和条件下的注射能力(室温、中性pH值),交联过程无需引发剂或紫外光等外界刺激,也不会产生有害产物,且动态相互作用的自修复能力进一步使注射后的凝胶具有更加均匀的内部结构,减少缺陷。研究者使用医用双联混药器注射制备的杂化双网络水凝胶,其压缩模量达到0.8 MPa,压缩强度和破坏能分别为34 MPa和40 kJ/m2。不仅如此,研究发现该凝胶浸泡于模拟体液时会发生“自强化”现象,其压缩模量、强度和破坏能可在2周内提高到2 MPa、57 MPa和65 kJ/m2。这一结果源于生物玻璃颗粒的矿化过程,所形成的羟基磷灰石结晶使得杂化网络得到进一步完善,动态提高凝胶的抗压缩性能。为验证所制备水凝胶的成骨活性,研究者建立了兔股骨髁骨缺损动物模型。有趣的是,实验发现经注射方法植入凝胶后,缺损部位的骨长入速度高于使用预成型凝胶填充的实验动物,从而获得了注射植入支架具有优效性的实验证据。这一研究所采用的多重动态交联方式和杂化双网络结构的设计方法为今后发展具有高性能、可注射和生物相容性的水凝胶材料提供了新的思路,相关工作以“An Injectable Strong Hydrogel for Bone Reconstruction”为题,发表在Advanced Healthcare Materials (DOI: 10.1002/adhm.201900709)上,第一作者为中国科学院大学的赵嫣然和北京大学第三医院的崔智勇。