《Journal of the Indian Chemical Society》：Enhanced interfacial adhesion and bioactivity of inorganic and organic scaffolds with functionalized oligomer-contained 3D printable hydrogels
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3D打印PCL支架经PEM涂层改性解决疏水-亲水界面不匹配问题，结合HAp/ Cat-CyD复合水凝胶实现骨再生促进与药物控释。
In Young Park|Thi Thuy Chau Nguyen|Su A. Park|Sung Yun Yang
韩国大田市儒城区大鹤路99号，忠南国立大学材料科学与工程系，邮编305-764
摘要
支架-水凝胶复合材料在骨组织工程中得到了广泛研究，因为它们具有互补的机械和生物特性。然而，疏水性支架与亲水性水凝胶基质之间的低界面粘附性仍然是一个重要的限制因素。此外，除了界面改性之外，水凝胶组分本身的功能性也是决定复合材料整体性能的关键因素。在这项研究中，我们开发了一种生物功能性复合材料，它克服了这种界面不匹配的问题，同时支持骨再生。该水凝胶以海藻酸钠作为基质，羟基磷灰石（HAp）作为骨诱导成分，以及阳离子β-环糊精寡聚物（Cat-CyD）作为疏水性药物的载体。Cat-CyD与聚丙烯酸共组装成聚电解质多层膜（PEM），然后将其应用于3D打印的可降解聚合物支架上，以提高润湿性和细胞粘附性。PEM涂层的支架增强了MG63细胞的粘附和增殖，而封装在Cat-CyD中的姜黄素（CUR）表现出可控释放，与HAp一起促进了成骨分化。同样的界面策略在钛基底上也同样有效，这突显了其作为先进生物医学植入物多功能平台的潜力。
引言
支架-水凝胶复合材料在骨组织工程中得到了广泛研究，因为它们具有互补的机械和生物特性[1,2]。通过结合支架的机械强度和水凝胶的生物活性，这些系统为开发功能性结构提供了有前景的平台[3,4]。然而，疏水性支架表面与亲水性水凝胶基质之间的低界面粘附性是一个主要限制[5,6]。这种固有的界面不兼容性导致在生理条件下的结合力弱、分层和结构稳定性降低，最终阻碍了骨再生的长期性能[7,8]。为了解决这一挑战，需要改进支架-水凝胶相互作用的表面改性策略[9]。其中，聚电解质多层膜（PEM）的逐层（LbL）组装是一种多功能且可调节的方法。LbL技术通过交替沉积带相反电荷的聚电解质，可以精确控制薄膜厚度、表面化学性质和纳米尺度上的电荷分布。这些涂层可以增强表面润湿性、粗糙度和功能基团的可用性，从而增强与水凝胶基质的氢键和静电相互作用[10,11]。重要的是，聚合物电解质膜涂层可以通过引入能够与水凝胶网络形成氢键和静电相互作用的化学功能基团来增强界面粘附性和稳定性。此外，优化双层数量可以平衡功能基团的可用性和薄膜均匀性，防止过度沉积，这可能会导致表面致密化和生物活性降低[12]。除了界面改性之外，水凝胶组分本身的功能性也是决定支架-水凝胶复合材料整体性能的关键因素。水凝胶不仅可以作为结构填料，还可以作为生物活性信号的载体，提供成骨诱导信号、生化因子和治疗分子的控释[13]。羟基磷灰石（HAp）是一种在结构和组成上类似于天然骨的磷酸钙矿物，是最常用的增强成骨潜力的添加剂之一。HAp通过释放钙和磷酸根离子来促进成骨细胞的粘附、增殖和分化，从而刺激细胞外基质的矿化和骨形成[14,15]。同时，具有成骨活性的小分子物质（如姜黄素）也被研究用于进一步促进骨再生。然而，姜黄素在生理条件下的溶解度低和不稳定性限制了其在水凝胶中的直接应用。为了解决这个问题，使用了阳离子β-环糊精寡聚物（Cat-CyD）作为有效的载体。其亲水外层和疏水内腔允许包含像姜黄素这样的疏水性药物，从而提高溶解度、稳定性并实现持续释放。此外，季铵基团引入的正电荷有助于与PEM改性的支架和细胞膜之间的有利静电相互作用[[16], [17], [18]]。在这项研究中，我们展示了一种结合PEM涂层支架和基于HAp/Cat-CyD的水凝胶的功能性复合系统。通过将成骨药物姜黄素封装在Cat-CyD的空腔中，我们证明了水凝胶的药物装载和控释能力，展示了其在多种生物活性剂中的应用潜力。在这项研究中，我们系统地研究了PEM表面改性和水凝胶配方对界面稳定性、释放行为和体外成骨反应的影响。本研究的结果旨在为下一代复合材料支架提供设计原则，这些支架结合了机械稳定性、界面完整性和多功能生物活性，适用于先进的骨组织工程应用。此外，通过证明PEM表面改性还可以改善姜黄素在钛等金属基底上的水凝胶粘附性，这项工作突显了该策略的广泛适用性和其在再生医学中使用的多种支架材料中的潜在相关性。整个策略，包括支架改性、水凝胶制备及其在骨组织工程中的应用，在图1中进行了概述。
材料
聚(ε-己内酯)（PCL，分子量=45,000 Da）、聚烯丙胺盐酸盐（PAH，分子量150,000 Da，40%水溶液）、聚丙烯酸（PAA，分子量100,000 Da）、海藻酸钠（SA）和姜黄素均购自Sigma-Aldrich（美国密苏里州圣路易斯）。寡聚β-环糊精（Cat-CyD，分子量约5300）具有阳离子功能基团，按照我们之前发表的程序合成[16]。Dulbecco改良Eagle培养基（DMEM）购自Gibco（美国）。磷酸盐缓冲盐水
支架上PAH + (PAA/Cat-CyD)n多层膜的表征
使用3D打印技术制备PCL支架，并通过逐层（LbL）涂层工艺进一步进行PEM膜改性。该策略在图1中有所概述，利用Cat-CyD寡聚物作为PEM膜中的聚阳离子成分，将其应用于PCL支架和金属钛（Ti）基底上，以在水凝胶打印之前改善界面性能。Cat-CyD的合成和表征遵循了之前发表的程序[16]。为了评估表面
结论
在这项研究中，我们开发了一种多功能复合系统，旨在解决疏水性3D打印PCL支架与高水分水凝胶之间的固有界面不兼容性问题。通过逐层组装工艺引入PEM涂层，成功改性的支架表面提高了亲水性，并提供了能够形成氢键和静电相互作用的功能基团。这种改性显著增强了界面粘附性
CRediT作者贡献声明
In Young Park：撰写——原始草稿、可视化、研究、正式分析。Thi Thuy Chau Nguyen：研究、数据管理。Su A. Park：项目管理、研究。Sung Yun Yang：撰写——审稿与编辑、监督、方法学、资金获取、概念化。
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。
致谢
本工作得到了国家研究基金会（NRF）的资助（编号：RS-2025-16066442）和忠南国立大学的2025年Research Grant（BK21 FOUR）计划的支持。
