通过胺化作用调控明胶水凝胶界面的机械性能

《Journal of the Mechanical Behavior of Biomedical Materials》：Shaping the mechanical properties of a gelatin hydrogel interface via amination

肌腱-骨连接修复面临复杂组织结构和机械应力挑战，本研究通过选择性胺化改性明胶-壳聚糖水凝胶（Gel-SH），优化其交联动力学与机械性能。实验采用梯度胺化策略调控羧酸残基修饰程度，结合双功能化交联技术（HRP介导原交联与碳二亚胺介导次级交联），构建出骨-矿化胶原支架与非矿化腱性胶原支架间连续的Gel-SH过渡层。结果表明，胺化程度与原交联效率正相关，次级交联可补偿材料湿力学性能，最终使三相生物材料的拉伸强度提升42%，界面应变集中降低至0.3以下，同时维持了干态力学稳定性。该策略为分层生物材料界面设计提供了可调控范式。

　　在人体生理结构中，肌腱与骨骼之间的连接区域被称为肌腱骨结合区（enthesis），这是一个复杂的组织界面，承担着将肌肉力量传递至骨骼的重要功能。然而，这一区域的损伤，例如肩袖撕裂（rotator cuff tear），往往对患者造成严重的生理和临床影响。据研究，每年在美国，因肩袖撕裂而接受治疗的患者数量高达450万，相关的医疗费用更是超过70亿美元。这类损伤通常需要手术干预，尤其是全层撕裂的情况，而手术后的修复效果往往不尽如人意，部分病例甚至出现高达94%的再撕裂率。这不仅给患者带来长期的康复困扰，也对医疗资源提出了更高的要求。

当前，外科手术治疗肩袖撕裂的主要方式是通过机械固定将撕裂的肌腱重新附着到骨骼上。然而，这种方法形成的修复组织往往不具备原生肌腱骨结合区的生物学特性，通常表现为功能较差的纤维性瘢痕组织。这种组织在机械性能上无法有效分散局部应力，导致修复部位承受过大的力学负担，进而引发新的损伤。因此，如何在修复过程中重建具有良好机械性能和生物相容性的肌腱骨结合区，成为当前生物医学工程领域的重要研究方向。

为了应对这一挑战，科学家们开始探索利用生物材料来促进组织再生。近年来，界面组织工程（interface tissue engineering）技术取得了显著进展，其核心目标是开发能够模拟天然组织界面的多层结构材料。这些材料需要具备两个关键功能：一方面，它们必须能够提供局部的生物信号，以支持多种组织类型的分化和生长；另一方面，它们还必须在不同材料之间形成平滑的过渡，从而减少由于材料不匹配而导致的应力集中和结构失效的风险。

在这一背景下，研究人员提出了一种基于明胶（gelatin）的新型多层生物材料。明胶是一种从胶原蛋白中提取的天然多肽，具有良好的生物相容性和降解性，同时还能提供细胞识别所需的生物活性位点，如整合素结合的RGD序列。此外，明胶的化学结构允许其通过多种方式进行功能化修饰，例如引入硫醇基团（thiol groups）以实现可控的交联反应，从而调节其机械性能和降解速率。然而，传统的明胶硫醇化方法存在一定的局限性，主要体现在其氨基（amine）基团的浓度较低，这在一定程度上限制了材料的可调性和性能优化。

针对这一问题，研究团队开发了一种新的策略，即在明胶的制备过程中引入选择性氨基化（amination）步骤。通过控制氨基化反应的程度，可以显著改变明胶分子的化学性质，进而影响其与硫醇基团之间的交联反应。具体而言，研究者利用乙二胺（ethylenediamine）对明胶进行氨基化处理，同时使用1-乙基-3-(3-二甲基氨基丙基)碳二亚胺（EDAC）进行硫醇化反应。这种两步处理方法不仅提高了明胶中氨基基团的含量，还使得其能够与硫醇基团形成更稳定的交联结构，从而增强材料的机械性能和结构稳定性。

通过这种氨基化处理，研究团队成功制备出一系列具有不同交联程度的明胶硫醇化（Gel-SH）水凝胶材料。这些材料在不同浓度的乙二胺作用下，表现出不同的凝胶化动力学和机械特性。例如，随着乙二胺添加量的增加，水凝胶的凝胶化时间缩短，同时其弹性模量和抗拉强度也相应提高。这种性能的可调性使得研究人员能够根据不同的临床需求，定制化地设计和优化生物材料的结构和功能。

进一步的实验表明，这些新型的Gel-SH水凝胶材料能够有效连接具有不同结构特性的肌腱样和骨样胶原支架，形成一种多层的生物复合材料。这种复合材料在机械性能上优于传统的单一材料体系，同时在组织修复过程中展现出良好的生物相容性和细胞适应性。例如，研究团队通过将Gel-SH水凝胶插入到肌腱样和骨样胶原支架之间，成功构建了一种具有三相结构的生物材料，该材料在模拟肌腱骨结合区的微环境中，能够支持间充质干细胞（mesenchymal stem cells, MSCs）的定向分化，并促进纤维软骨组织的形成。

此外，研究团队还发现，这种多层结构的生物材料在模拟生理条件下表现出优异的力学性能。通过调控氨基化和硫醇化的程度，研究人员能够平衡水凝胶的初级交联（dithiol-based）和次级交联（carbodiimide-based）反应，从而优化材料的整体性能。初级交联主要由硫醇基团之间的反应主导，而次级交联则依赖于氨基和羧基之间的化学键形成。通过合理设计这两种交联反应的比例，研究人员不仅能够提高水凝胶的机械强度，还能确保其在体内具有适当的降解速率，从而避免长期的异物反应。

从生物医学工程的角度来看，这种多层生物材料的开发具有重要的临床意义。首先，它能够模拟天然肌腱骨结合区的结构和功能，为组织再生提供更接近生理环境的支架。其次，其可调的机械性能使其能够适应不同类型的损伤，从而提高修复的成功率。此外，这种材料还能够减少手术过程中可能产生的应力集中问题，降低修复部位的再撕裂风险。最终，这种新型生物材料有望成为一种有效的替代方案，用于肩袖撕裂等肌腱骨结合区损伤的修复。

在实际应用中，这种多层生物材料可以通过多种方式制备和植入。例如，研究人员可以利用冻干（lyophilization）技术，将具有不同结构特性的胶原支架与Gel-SH水凝胶结合，形成一种稳定的三维复合结构。这种方法不仅能够保持材料的多孔性和生物活性，还能确保其在体内的长期稳定性和功能性。此外，研究团队还探索了其他可能的制备方法，如注射成型和3D打印技术，以进一步提高材料的可加工性和适用性。

值得注意的是，这种多层生物材料的设计不仅仅局限于肩袖撕裂的修复，它还可能适用于其他类型的肌腱骨结合区损伤，例如跟腱断裂、髌腱损伤等。由于肌腱骨结合区的结构和功能在不同部位存在差异，因此，这种材料的可调性使其能够适应多种临床需求。通过调整氨基化和硫醇化的比例，研究人员可以设计出具有不同力学特性和生物活性的材料，从而更好地匹配不同部位的修复要求。

此外，这种多层生物材料的开发还涉及到一系列关键的技术挑战。例如，如何确保不同材料之间的界面稳定性，如何优化材料的降解速率以匹配组织再生的速度，以及如何在体内维持材料的结构完整性而不引发炎症反应。针对这些挑战，研究团队通过系统的实验和分析，探索了多种可能的解决方案。例如，通过引入适当的交联剂和调控反应条件，研究人员能够有效提高材料的界面稳定性，同时确保其在体内的可控降解。

从更广泛的生物医学工程角度来看，这种多层生物材料的开发代表了界面组织工程领域的一个重要进展。它不仅为解决复杂的组织修复问题提供了新的思路，还展示了如何通过材料科学的手段，模拟和增强天然组织的功能。未来，随着对材料性能和生物活性的进一步研究，这种多层生物材料有望在更多临床场景中得到应用，为患者提供更有效的治疗方案。

总之，这种基于明胶的多层生物材料的开发，为解决肌腱骨结合区损伤的修复难题提供了新的可能性。通过选择性氨基化和硫醇化处理，研究人员能够有效调控材料的机械性能和生物活性，从而构建出一种具有优异性能和广阔应用前景的新型生物材料。这种材料不仅能够支持细胞的定向分化和组织再生，还能够减少手术后的并发症，提高修复的成功率。未来，随着技术的不断进步和临床应用的深入，这种多层生物材料有望成为一种重要的组织工程工具，为医学界带来新的突破。