基于鱼胶原蛋白和聚氧乙烯醚407的二元聚合物体系：在制药和生物医学应用中的力学与流变学分析

《ACS Omega》：Binary Polymeric System Based on Fish Collagen and Poloxamer 407: Mechanical and Rheological Analysis for Pharmaceutical and Biomedical Applications

本研究通过Box-Behnken设计优化了尼罗 tilapia皮肤胶原蛋白（COL）与酶解型pCOL及聚氧乙烯-聚丙烯酸酯共聚物P407的二元聚合物系统，系统考察了温度（10、25、34℃）和组分浓度对机械特性（硬度、压缩性、粘附性）及流变学行为（剪切稀化、屈服应力、弹性模量）的影响。结果表明，COL和pCOL系统在低温下表现出更强的结构支撑能力，而P407在高温下通过自组装形成凝胶网络。最佳系统CP12（0.75% COL/17.5% P407/7%甘油）在34℃时具有显著剪切稀化行为（n=0.482，屈服应力15.14 Pa）和优异的力学性能（硬度1.806 N，压缩性2.732 N·mm）。SEM显示该系统具有均匀多孔结构（孔径<50 μm），pCP系统因酶解去除端肽，孔隙率提高32%。这些特性使其适用于可注射药物递送（如 burns修复）和3D生物打印（骨软骨再生）。

　　这项研究探讨了从罗非鱼（*Oreochromis niloticus*）皮肤中提取的胶原蛋白与聚氧乙烯-聚氧丙烯共聚物P407以及甘油的二元聚合物系统。通过采用Box–Behnken 3^3因子设计，研究人员对这些系统在不同温度和成分组合下的机械性能和流变特性进行了系统分析，以优化其在制药和生物医学领域的应用潜力。研究结果表明，这些二元系统表现出剪切稀化行为（pseudoplastic），即在剪切应力作用下粘度降低，但在应力去除后能够恢复其结构特性。这种特性对于药物输送系统和3D打印生物结构具有重要意义。

胶原蛋白因其再生性能和生物相容性，在制药和生物医学领域受到广泛关注。然而，传统的胶原蛋白来源，如牛和猪的胶原蛋白，往往伴随着伦理、宗教或食品安全问题。相比之下，罗非鱼胶原蛋白不仅在化学结构上与哺乳动物胶原蛋白相似，还具有更高的机械强度和热稳定性，这使其成为一种更安全、更环保的替代材料。此外，罗非鱼是全球广泛养殖和消费的水产动物，其皮肤作为副产品被大量丢弃，这为利用该材料进行资源再利用提供了机会。通过适当的提取方法，如酸提取和酸酶解（使用胃蛋白酶），可以有效地释放胶原蛋白并保持其结构和生物活性，同时降低免疫原性和自发交联的风险。

P407作为一种常用的表面活性剂和稳定剂，其热响应特性使其在生物医学应用中具有独特的价值。在低温下，P407以单体形式存在，具有较低的粘度；随着温度升高，P407形成胶束，导致粘度增加。这种热响应特性使得P407在药物输送系统中表现出溶液-凝胶转变行为，能够在体内温度下形成具有结构和机械性能的凝胶。结合胶原蛋白后，P407不仅能够改善系统的粘弹性，还能够提供额外的结构网络，从而增强系统的稳定性。

甘油作为一种常见的增塑剂和保湿剂，在二元系统中被用于调节系统的柔韧性和粘附性。它能够减少胶原蛋白基材料的脆性，提高其在不同温度下的应用性能。甘油的加入不仅有助于提高系统的粘度，还能够增强其弹性，从而在药物输送过程中保持材料的完整性。同时，甘油还可能通过改变胶原蛋白和P407的相互作用，影响系统的流变行为。

研究通过纹理分析（TPA）和流变学分析，评估了不同成分和浓度下的系统性能。结果显示，CP12系统（0.75/17.5/7%─COL/P407/Gly）在34°C下表现出良好的剪切稀化行为、显著的滞后面积和粘弹性，这使其在局部应用和3D打印中具有优势。该系统在低温下具有较高的粘度，这有助于其在储存和运输过程中保持结构，而在使用时能够迅速流动，便于涂抹或注射。此外，CP2、CP8、pCP2和pCP8系统也表现出剪切稀化行为和结构恢复能力，这些特性对于挤出式3D打印至关重要。

扫描电子显微镜（SEM）分析进一步揭示了这些系统在微观结构上的差异。CP2和pCP2系统在较低的P407和甘油浓度下表现出更开放的多孔结构，这有助于细胞的附着和营养物质的扩散。然而，这种结构的开放性可能会影响打印过程中的稳定性。相比之下，CP8和pCP8系统在较高浓度下呈现出更紧凑的形态，具有较厚的壁和较小的孔径，这表明它们在打印后能够保持更好的结构完整性和尺寸稳定性。这种微观结构的差异与系统的机械和流变性能直接相关，对于平衡打印过程中材料的流动性与打印后的结构稳定性至关重要。

研究还探讨了不同温度对系统流变性能的影响。在10°C时，胶原蛋白对系统的粘度有显著影响，而在25°C和34°C时，P407开始发挥主导作用。这表明，随着温度升高，胶原蛋白的结构逐渐解体，而P407的胶束化过程增强，导致系统粘度增加。这种温度依赖性的粘弹性变化使得系统能够在体表温度下形成稳定的凝胶结构，从而提高药物的保留时间和生物利用度。

从应用角度来看，这些二元系统具有广泛的应用前景。在局部应用中，系统的剪切稀化特性使其能够适应皮肤的自然运动，同时保持结构完整性。对于3D打印应用，系统的粘弹性和滞后面积能够确保打印过程中材料的顺利流动，并在打印后恢复其结构，这有助于制造具有精确结构的生物材料。此外，这些系统还可能用于制药薄膜的制备，其粘附性和机械强度可以提高药物的稳定性和保留性。

研究还指出，二元系统的性能不仅依赖于成分的种类和浓度，还受到温度变化的影响。通过调整这些参数，可以优化系统的流变性能，使其适用于不同的应用环境。例如，当系统用于注射时，需要在较低的温度下保持流动性和较高的粘度，而在体内温度下形成稳定的凝胶结构。这种特性对于开发可控释放药物输送系统尤为重要，因为它可以确保药物在目标部位的有效滞留和释放。

总的来说，这项研究为利用罗非鱼胶原蛋白和P407开发新型生物材料提供了理论和实验依据。通过优化成分比例和浓度，研究人员能够获得具有理想机械和流变特性的系统，这些系统在制药和生物医学领域具有重要的应用潜力。未来的研究可以进一步探索这些系统的药物负载能力和释放行为，以及其在3D打印和生物医学工程中的实际应用效果。此外，还需要进行初步的生物相容性测试，以确保这些系统的安全性和有效性。