茶多酚调控蛋白质二级结构构建高强度高韧性天然蛋白水凝胶用于引导性骨再生膜的研究

本期推荐一项突破性研究：针对天然蛋白基水凝胶在引导性骨再生（GBR）膜应用中存在的力学性能（强度与韧性）失衡难题，研究人员创新性地提出茶多酚（TP）调控蛋白质二级结构强化策略。通过以TP为“力学调节器”精准调控牛血清白蛋白（BSA）和丝素蛋白（SF）的二级结构，成功制备出兼具高拉伸强度（2.64±0.20 MPa）、高杨氏模量（60.37±2.71 MPa）和高韧性（1.83±0.13 MJ m-3）的天然蛋白水凝胶。进一步构建的不对称多孔（AP）水凝胶膜不仅展现出优异的屏障功能和成骨空间维持能力，还赋予其抗氧化、抗菌和促成骨分化等多重生物活性。经大鼠牙周骨缺损模型验证，该膜能显著促进骨组织再生，展现出作为GBR膜的巨大潜力。

　　

在口腔颌面修复领域，引导性骨再生（Guided Bone Regeneration, GBR）技术是治疗牙周骨缺损的关键手段。其核心材料GBR膜需同时满足两大功能：靠近软组织侧需致密以阻挡纤维组织长入，而靠近骨缺损侧需多孔以支持新生骨组织长入。目前临床常用的胶原膜（如Bio-Gide）虽生物相容性良好，但存在降解过快、力学性能不足的缺陷，易导致膜塌陷、移植物流失，最终影响成骨效果。自然界中许多高强高韧材料（如贝壳、蚕丝）的力学优势源于其蛋白质中丰富的β-折叠（β-sheet）二级结构。然而，在人工制备的天然蛋白水凝胶中，过度增加的β-折叠会引发材料脆化，导致强度与韧性难以兼顾。因此，开发一种能精确调控蛋白质二级结构、同步实现高力学性能和生物活性的天然蛋白水凝胶，成为GBR膜研究的重要挑战。

茶多酚（Tea Polyphenols, TP）是茶叶中的天然多酚化合物，不仅具备良好的抗菌和抗氧化活性，还能通过与蛋白质活性位点结合，改变其构象和力学行为。此前研究多关注TP的生物功能，但其调控蛋白质二级结构并增强材料力学性能的潜力尚未被充分挖掘。受此启发，天津大学刘文广教授团队联合山东大学高飞教授团队在《Cell Biomaterials》发表研究，提出了一种TP调控蛋白质二级结构的强化策略，成功制备出高性能天然蛋白水凝胶，并进一步构建了用于牙周骨再生的不对称多孔GBR膜。

研究主要依托以下几项关键技术：通过甲基丙烯酰化改性制备丝素蛋白甲基丙烯酸酯（SFMA）和牛血清白蛋白甲基丙烯酸酯（BSAMA）；采用光引发自由基聚合法构建SFMA/BSAMA水凝胶；通过TP溶液浸泡处理诱导蛋白质二级结构转变；结合重力诱导沉淀、光聚合和酸蚀技术制备不对称多孔水凝胶膜；借助分子动力学模拟和分子对接分析TP与蛋白质的相互作用机制；通过大鼠牙周骨缺损模型进行体内成骨效果评价。

制备与力学性能表征

研究人员首先合成SFMA和BSAMA，并通过光聚合制备了双组分SFMA/BSAMA水凝胶（记为S_xB_y，其中x和y代表SFMA和BSAMA的重量百分比浓度）。经TP溶液浸泡处理后，得到TP增强的天然蛋白水凝胶（S_xB_yT）。力学测试表明，单组分水凝胶（S₂₀T和B₂₀T）虽力学性能有所提升，但或强度不足或脆性过高。而双组分S₂₀B₁₀T水凝胶在最优处理条件（10 wt% TP溶液浸泡20 h）下展现出均衡的高性能：拉伸强度1.34±0.05 MPa、杨氏模量9.14±0.58 MPa、断裂伸长率179.94%±12.03%、韧性1.83±0.13 MJ m^-3，优于多数纯天然蛋白水凝胶及部分天然/合成杂化体系。循环拉伸测试表明该凝胶具有良好的弹性恢复能力。

结构表征与增强机制

傅里叶变换红外光谱（FTIR）和圆二色（CD）光谱分析证实，TP处理促进了SF和BSA分子中β-折叠结构的形成。在S₂₀B₁₀T水凝胶中，β-折叠含量从处理前的22.3%增至25.9%。小角X射线散射（SAXS）和原子力显微镜（AFM）显示，TP诱导的β-折叠进一步聚集，形成微相分离结构（域周期从10.5 nm增至22.5 nm），这些微区作为增强相，赋予凝胶卓越力学性能。分子模拟表明，TP主要通过氢键和疏水相互作用与SF和BSA结合，其中(-)-表没食子儿茶素没食子酸酯（EGCG）与SF形成氢键的关键残基包括Gln38、Arg66、Asp91等。TP的引入使蛋白质结构更加紧凑，从而提高了β-折叠含量。

不对称多孔水凝胶膜的构建与性能

基于上述增强机制，研究通过粒子浸出法成功构建了不对称多孔SFMA/BSAMA/TP水凝胶膜（AP S₂₀B₁₀T）。该膜致密面（顶部）孔径小于100 μm，可有效阻挡软组织侵入；多孔面（底部）孔径达数十微米，为细胞/组织长入提供空间。膜表现出良好的稳定性、缓慢的酶降解性及优异的生物相容性（细胞存活率>95%）。TP的持续释放赋予膜显著的抗氧化（对DPPH、ABTS⁺和OH·清除率超80%）和抗菌性能（对大肠杆菌、金黄色葡萄球菌和MRSA均有效）。细胞内活性氧（ROS）清除实验证实，AP S₂₀B₁₀T能有效缓解H₂O₂诱导的氧化损伤，保护线粒体功能。

成骨分化促进效果

体外成骨分化实验显示，AP S₂₀B₁₀T组在碱性磷酸酶（ALP）染色和茜素红S（ARS）染色中均表现出更强的成骨活性，其促成骨基因（ALP、COL-1、OPN）表达显著上调。这得益于TP的成骨诱导活性和酸蚀处理后残留的Ca²⁺离子的协同作用。

体内牙周骨再生评价

在大鼠牙周骨缺损模型中，植入AP S₂₀B₁₀T膜12周后，微CT重建显示缺损区几乎被新生骨填充，骨体积分数（BV/TV）、骨矿物密度（BMD）均显著高于商用Bio-Gide组。组织学染色（H&E、Masson）和骨桥蛋白（OPN）免疫荧光染色进一步证实，AP S₂₀B₁₀T组新生骨面积更大、骨密度更高，且有效抑制了软组织浸润。

该研究通过TP调控蛋白质二级结构，成功解决了天然蛋白水凝胶强度与韧性难以兼顾的难题，为设计高性能生物材料提供了新思路。所开发的不对称多孔水凝胶膜集优异力学性能、缓释降解、多重生物活性于一体，不仅满足了GBR膜的双重功能需求，还有效促进了牙周骨再生。这一策略不仅适用于GBR膜，还可推广至其他需同时具备高力学性能和微环境调节能力的生物医学水凝胶植入物领域，展现出广阔的临床应用前景。