肽基刚性纳米棒增强明胶甲基丙烯酰水凝胶：骨软骨再生与增材制造的新策略

本研究针对水凝胶在生物医学应用中机械性能不足的挑战，受椎间盘结构启发，开发了一种基于肽基刚性纳米棒(PRNs)的生物相容性增强策略。通过将PRNs共价交联到明胶甲基丙烯酰(GelMA)网络中，制备的纳米棒支撑GelMA(NSG)水凝胶压缩强度提升1018%，韧性提高508%，同时保持优异的结构完整性和抗疲劳性。该研究为负载组织修复和个性化增材制造提供了新型材料解决方案，发表于《Nature Communications》。

　　

在生物医学领域，水凝胶因其与生物组织相似的力学特性和良好的生物相容性备受关注，尤其是光固化水凝胶如明胶甲基丙烯酰(GelMA)在组织修复和3D打印中应用广泛。然而，传统GelMA水凝胶的脆性限制了其在承重组织（如骨软骨）中的应用。尽管已有多种增韧策略，如双网络结构或纳米填料掺杂，但这些方法往往牺牲了生物相容性或加工便捷性。如何在不影响水凝胶固有优势的前提下提升其力学性能，成为亟待解决的科学难题。

受脊柱椎间盘“刚性支撑-弹性缓冲”机制的启发，四川大学华西口腔医院的研究团队创新性地提出利用肽基刚性纳米棒(Peptide-based rigid nanorods, PRNs)增强GelMA水凝胶的策略。PRNs是由反向平行同源四聚体肽束组成的超刚性短聚合物，其两端可通过硫醇-烯点击化学反应与GelMA的甲基丙烯酰基团共价连接。光固化后，PRNs在凝胶网络中形成类似“微椎间盘”的支撑结构，在外力作用下通过肽链解旋和反向运动耗散能量，从而显著提升材料性能。相关成果发表于《Nature Communications》，为生物相容性高强度水凝胶的设计开辟了新路径。

研究团队主要采用了以下关键技术：1) 通过不平衡摩尔比(4:3)肽束自组装制备短链PRNs（长度31.3±4.7 nm）；2) 硫醇-迈克尔加成反应实现PRNs与GelMA的预交联；3) 原子力显微镜(AFM)和小角X射线散射(SAXS)表征纳米结构；4) 分子动力学模拟揭示能量耗散机制；5) 数字光处理(DLP)技术进行复杂结构3D打印；6) 建立兔膝关节骨软骨缺损模型评估修复效果。

PRNs的制备与表征

通过固相肽合成获得含半胱氨酸的肽A(Pa)和含马来酰亚胺的肽B(Pb)，以4:3摩尔比组装形成PRNs。AFM和SAXS证实其直径约2 nm，长度约32 nm，相当于7个肽束串联。动态光散射(DLS)显示溶液中的流体力学半径对应长度29.46±5.37 nm。体外实验表明2% PRN浓度可促进骨髓间充质干细胞(BMSCs)增殖。

机械性能增强机制

与简单物理混合的GelMA-PRN相比，预交联的NSG水凝胶表现出更优异的性能：在PRN含量2%时，压缩强度达712.7±78.6 kPa（较纯GelMA提升1018%），韧性60.8±2.2 kJ m^-3（提升508%）。分子模拟显示，PRNs通过牺牲非共价键（范德华力占比70%）吸收能量，其能量耗散效率是单肽束的1.6倍。循环压缩测试表明NSG₂在70%应变下可承受60次循环而保持90%初始应力。

生物相容性与降解性能

NSG水凝胶维持了GelMA的溶胀平衡（24小时达平衡），但降解速率显著减缓（体内8周残留量较GelMA高35%）。植入大鼠背部7天后，NSG组CD206⁺抗炎型巨噬细胞浸润增加，CD68⁺和iNOS⁺促炎标志物减少。BMSCs在NSG表面培养7天存活率>95%，且阿辛蓝染色显示更强的软骨分化倾向。

骨软骨修复应用

在兔膝关节全层骨软骨缺损模型中，NSG组6周时即有新生组织填充，12周缺损完全被类透明软骨覆盖。Micro-CT显示NSG组的骨体积分数(BV/TV)较空白组提高3.2倍，组织学显示更丰富的II型胶原(Col II)沉积。大鼠模型转录组分析发现NSG调控425个差异基因，涉及趋化因子信号通路和IL-10等抗炎因子上调。

增材制造适用性

DLP打印的多通道圆柱结构显示，NSG₂在58%应变下保持完整，而GelMA结构在50%应变即破裂。打印的网格结构可承受>50%形变并完全回弹，证明其适合复杂个性化支架制备。

该研究通过仿生策略将PRNs的机械优势与GelMA的生物特性相结合，突破了光固化水凝胶在承重应用中的瓶颈。NSG水凝胶兼具快速光固化、高精度3D打印和原位修复能力，为骨软骨再生提供了理想材料平台。其创新性在于：1) 首次利用肽基纳米棒的层级能量耗散机制增强水凝胶；2) 通过化学预交联避免纳米填料聚集；3) 实现力学性能与生物功能的协同提升。这种“分子椎间盘”设计理念可拓展至其他生物材料体系，推动组织工程与再生医学的发展。