Hydrogen Bond-Reinforced Hydrogel-Fiber Composite Scaffolds for Sustained FGF2 Delivery and Soft Tissue Regeneration
本研究表明，氢键增强型水凝胶-纤维复合支架，特别是通过本体复合方法制备并负载FGF2的支架，通过改善血管化和细胞外基质合成，在机械强度、生长因子持续释放以及增强软组织再生方面表现出优越性。
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当身体遭受深层伤口或失去软组织时，医生面临的挑战不仅是填补缺口，还要提供一个让新细胞生长、连接并重建的临时家园。这个临时家园被称为支架，它是一种作为活体组织三维骨架的结构。为了让支架发挥作用，它必须足够强韧，能在体内潮湿的环境中保持形状，同时又要足够柔软，让细胞能够穿行其中。它还需要传递特定的生物信号，通常是被称为生长因子的蛋白质，这些信号会告诉细胞何时进行增殖以及何时构建新组织。如果支架分解得太快，或者一次性释放了这些信号，愈合过程就会失败。科学家们长期以来一直尝试结合两种类型的材料来解决这个问题：模仿天然组织的柔软、亲水性凝胶，以及提供结构支撑的强韧纤维。难点在于如何让这两种截然不同的材料牢固地粘合在一起，而不使用有毒化学物质，并确保它们能随着时间的推移缓慢释放这些愈合信号。
在最近的一项研究中，伊朗伊斯法罕大学的研究人员开发了一种构建这些支架的新方法，他们利用了一种将许多日常材料结合在一起的自然力量：氢键。氢键是分子之间微弱的吸引力，当这种吸引力在庞大的网络中成倍增加时，会创造出一种令人惊讶的强韧且稳定的结构。该团队通过将一种特殊的凝胶与由聚乙烯醇（一种常见的塑料）制成的交联纤维混合，创造出了一种复合材料。为了在不使用严苛化学品的情况下让凝胶粘附在纤维上，他们利用一种源自贻贝的物质——聚多巴胺对凝胶进行了改性。这种涂层使凝胶和纤维能够通过数以千计的微小氢键紧密锁定在一起，从而创造出一种能够承受人体内部压力的统一材料。
研究人员测试了两种组装这种材料的方法，以观察哪种效果更好。第一种方法称为“层层堆叠法”，涉及将纤维片和凝胶层像三明治一样堆叠在一起。第二种方法称为“常规本体复合法”，涉及将纤维切成微小的碎片，并在凝胶硬化前将其均匀地混合在液体凝胶中。他们发现，材料的构建方式显著改变了其行为特征。层叠版本极其坚韧，可以拉伸和压缩而不破裂，即使在高应力下也能保持形状。然而，混合的本体版本则具有另一种优势：其内部结构更加开放且具有多孔性，纤维碎片创造了一个分散的网络空间。
这种结构的差异对材料持有和释放愈合信号的方式产生了重大影响。研究人员在支架中加载了一种模型蛋白，以观察其捕捉和缓慢释放蛋白的能力。混合型的本体支架更擅长吸收蛋白，比层叠型持有更多的蛋白。更重要的是，当测试蛋白释放情况时，混合型支架表现出快速的初始释放，在最初的24小时内就有近一半的蛋白排出，随后在接下来的几天内完成剩余载荷的释放。相比之下，层叠型支架能长时间保留蛋白，但释放速度要慢得多，即使在一周后仍保留着大部分蛋白。这表明，混合结构更适合提供高剂量的初始信号，尽管其整体释放曲线比层叠设计的持续保留模式更快。
为了观察这些材料在生物体内的表现，团队将小型支架植入大鼠皮下并放置了两周。取出植入物后，他们发现身体对其接受良好，没有感染或严重炎症的迹象。旨在随时间降解的混合型支架显示出正在温和分解的迹象，为新组织的生长腾出了空间。当他们在显微镜下观察组织时，发现加载了特定生长因子FGF2的混合型支架效果最好。植入物周围的组织更加致密且更有组织性，含有大量的、新的胶原蛋白（连接组织的主要蛋白质）。最值得注意的是，这些植入物促进了许多新血管的生长，这是愈合的关键步骤，能为新组织带来氧气和营养。层叠型支架的整合效果不如前者，在植入物与周围人体组织之间留下了微小的间隙。
研究结论指出，将纤维混合到凝胶中的方法创造了一个更优越的软组织修复环境。通过利用氢键将材料结合在一起，研究人员创造了一种既强韧又具有生物相容性，且能够精准传递愈合信号的支架。这种混合本体复合材料被证明是最有效的设计，它提供的多孔结构鼓励细胞迁入、构建新组织，并形成维持长期生存所必需的血管。这种方法为开发能够帮助人体更有效地实现自我愈合的植入物提供了一条充满前景的路径，特别是对于那些既需要强度又需要稳定生物引导的软组织而言。
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