纳米同素异形体整合聚丙烯酰胺水凝胶：一种协同的实验-理论方法，用于设计具有机械韧性和细胞相容性的复合材料，以促进软骨组织再生

《Nanoscale》：Nanoallotrope-integrated polyacrylamide hydrogels: a synergistic experiment–theory approach for engineering mechanically resilient and cytocompatible composites for cartilage tissue regeneration

聚丙烯酰胺基水凝胶通过复合碳纳米管和石墨烯氧化物显著提升机械性能与生物活性，其中PAM-GO1（0.3 g L?1）在压缩强度（≈0.31 MPa）、弹性模量（1.653 MPa）、细胞存活率（>99%）及抗菌活性方面最优，20天PBS降解后仍保留90%以上质量，分子模拟验证其界面相互作用与电子特性优于PAM-CNT-COOH模型。

　　

基于聚丙烯酰胺（PAM）的水凝胶通常被认为是替代软骨的潜在候选材料。然而，它们有限的机械强度和抗穿刺性能极大地限制了其在生物应用中的使用。本研究旨在通过在PAM基质中添加不同浓度的碳纳米管（CNTs）和氧化石墨烯（GO）来提高聚丙烯酰胺水凝胶的强度。将CNT和GO纳米颗粒与PAM结合能够产生协同效应，并形成牢固的界面结合，从而提高其压缩强度和弹性模量。PAM–CNT和PAM–GO复合水凝胶表现出显著的自我修复能力、生物活性和细胞相容性，细胞存活率超过99%。GO的加入显著增强了复合材料的亲水性，使其接触角降至40°。对水凝胶的膨胀特性进行了评估，发现PAM–GO1（0.3 g L^?1）和PAM–GO2（0.5 g L^?1）具有最佳的稳定性。体外降解测试表明，这两种水凝胶在PBS溶液中浸泡20天后仍保留了约90%的凝胶质量。压缩测试结果显示，PAM–GO1（0.3 g L^?1）具有最高的压缩强度（约0.31 MPa）和最高的弹性模量（1.653 MPa）。此外，PAM–GO水凝胶的细胞存活率接近100%。其中，PAM–GO1的抗菌活性最强。为了深入了解这两种复合材料中通过非共价作用（NCIs）和范德华作用（vdW）实现的结构界面相互作用、稳定性/强度、能量（结合能BE）以及电子（HOMO–LUMO能隙和电荷转移CT）特性，研究人员采用了计算机模拟方法。结果表明，PAM–GO复合材料的稳定性优于PAM–CNTCOOH复合材料。结合能（BE）、HOMO–LUMO能隙、某些基于QTAIM的参数、偶极矩和与电荷转移相关的参数均支持了实验结果。总之，PAM–GO1（0.3 g L^?1）水凝胶复合材料凭借其优异的机械性能、生物活性和强粘附性，在软骨修复应用中具有巨大的潜力。