四川大学吴方教授/何静副研究员团队《ACS AMI》：酶促矿化PVASA双网络水凝胶制备兼具韧性与强度的骨修复水凝胶

水凝胶作为一种优异的生物材料，其脆弱的力学性能和易溶胀性能限制了在骨组织工程等领域的应用。酶促矿化是一种矿化效率极高的矿化方法，通常用于提高水凝胶的硬度和强度，但这往往会使得水凝胶出现脆性行为。此外，当前大部分酶促矿化的研究主要集中于优化水凝胶的力学性能，而基底材料通常采用致密的水凝胶体系，这在骨组织工程中并不是理想的材料。

为了解决这些问题，四川大学生物医学工程学院/国家生物医学材料工程技术研究中心吴方教授/何静副研究员团队提出了一个优化策略。他们采用了聚乙烯醇（PVA）和海藻酸钠（SA）两种常用的生物材料，制备了双网络水凝胶，并进行了酶促矿化。所制备的水凝胶在综合力学性能方面表现出色，在体外展现出良好的生物相容性和促进细胞成骨分化的潜力，在体内有效地促进了骨缺损区域的新生骨形成。相关工作以“Enzyme-Mineralized PVASA Hydrogels with Combined Toughness and Strength for Bone Tissue Engineering”为标题发表在《ACS Applied Materials & Interfaces》。四川大学硕士研究生张光鹏为该论文第一作者，吴方教授和何静副研究员为论文的共同通讯作者。该工作得到国家重点研发计划、自然科学基金面上项目以及四川省自然科学基金的支持。

【水凝胶的矿化行为】

研究发现，PVA和PVASA两种水凝胶表现出不同的矿化行为。PVASA水凝胶的矿化粒子分布更均匀，弥散性更好，而且粒径更小。

图1. 水凝胶微观形态和矿化粒子分布，EMPVA和EMPVASA水凝胶的矿化机制

【水凝胶优异的综合力学性能】

研究发现，PVASA双网络与酶促矿化在提升水凝胶力学性能方面展现出了协同效应，尤其是在杨氏模量（相比于PVA提升了20408%）、存储模量（相比于PVA提升了697%）、抗溶胀性能（相比于PVA提升了47%）等方面。特别地，PVASA在矿化后，其韧性并没有像PVA那样出现下降现象，韧性得到了保持。

图2. 水凝胶的力学性能及溶胀曲线

【良好的生物相容性及成骨分化潜力】

相较于PVA水凝胶，经过矿化的PVASA水凝胶在生物相容性方面表现最佳，并且在各项成骨分化指标上也呈现最佳效果。

图3. 水凝胶的生物相容性与成骨分化能力表征

【总结】

该研究结果表明，PVASA双网络水凝胶经过酶促矿化后，展现出力学性能和生物学性能的协同提升效应，所制备的水凝胶具有出色的综合力学性能。同时，该水凝胶通过促进I型胶原蛋白的分泌、碱性磷酸酶的活性和钙结节的形成，以及在体内新骨组织的形成，表现出良好的生物相容性和成骨性能。该研究为提升水凝胶力学性能提供了一种优化策略，酶促矿化的PVASA水凝胶具有很大的骨组织工程应用潜力。

原文链接：

https://doi.org/10.1021/acsami.3c14006