硫醇-炔烃交联纳米复合透明质酸水凝胶作为原位成形的骨移植材料，用于治疗不规则骨缺损

《Chemistry of Materials》：Thiol–Yne Crosslinked Nanocomposite Hyaluronic Acid Hydrogels as In Situ-Forming Bone Grafts for the Treatment of Irregular Bone Defects

生物聚合物水凝胶的骨再生应用研究。通过硫-烯点击化学将功能化透明质酸与三官能硫醇交联，制备含纳米羟基磷灰石（nHAp）的可注射骨修复水凝胶。光固化后水凝胶28天降解率仅20%，压缩模量达342 kPa，微CT显示骨缺损填充完整，细胞实验证实100%存活率及矿化诱导效应

　　生物聚合物基纳米复合可注射水凝胶作为骨填充和再生的解决方案，展现出了极大的潜力。这类材料不仅能够有效填补骨裂或骨缺损，还特别适用于面部和颅骨等复杂区域的修复。传统生物聚合物水凝胶在实际应用中常常面临一些挑战，如过度膨胀和快速降解，这可能影响其在体内环境中的稳定性和功能性。因此，本研究通过光诱导的硫醇-炔点击化学反应，将具有炔基的透明质酸（HA）与乙氧基化的三甲基丙烷三（3-巯基丙酸）（ETTMP）进行交联，从而开发出一系列具有优异性能的水凝胶材料。

这些水凝胶的凝胶溶液具备良好的粘弹性特性，使得可以在其中掺入高达30%重量比的纳米羟基磷灰石（nHAp）。nHAp是一种与天然骨组织在化学和空间结构上高度相似的生物活性陶瓷材料，其存在不仅有助于增强水凝胶的机械性能，还能减少过度膨胀的现象。凝胶化过程通过蓝光照射（405 nm波长）实现，使用商业牙科灯即可完成，整个过程只需几秒钟。这种快速凝胶化特性对于实际应用非常重要，因为它能够确保材料在植入后迅速形成稳定的结构，避免移位或变形。

实验结果显示，这些水凝胶在28天的磷酸盐缓冲液（PBS）孵育过程中能够保留约80%的初始重量，同时维持稳定的膨胀度。这一特性表明，水凝胶具有良好的水解稳定性，能够有效支持骨组织的再生过程。此外，水凝胶在不同材料和组织上的良好粘附性，使其在实际应用中能够更好地与周围组织整合，从而促进修复过程。

在微观结构分析方面，通过微CT扫描，研究人员确认了水凝胶在体外骨样本中的结构完整性以及其在28天内的填充性能。这些结果进一步验证了水凝胶在实际骨缺损修复中的可行性。同时，体外细胞相容性实验表明，预先成骨细胞（MC3T3-E1）在与水凝胶共培养48小时后，细胞存活率达到了100%，这表明水凝胶具有良好的生物相容性。初步的矿化研究则通过使用成纤维细胞（FD-MSCs）和茜素红S（ARS）染色方法进行，结果显示，含有nHAp的水凝胶能够促进细胞钙沉积，其效果与在成骨诱导培养基中培养的细胞相当。这一发现表明，这些水凝胶可能具有一定的成骨诱导能力，有助于骨组织的再生。

在实验设计方面，研究团队采用了一种基于硫醇-炔点击化学的合成策略，以确保水凝胶的快速和可控凝胶化。通过调整硫醇和炔基之间的摩尔比例，研究人员能够调控水凝胶的交联程度和结构特性。例如，当使用特定的摩尔比时，水凝胶能够在短时间内形成具有高度交联结构的稳定网络，从而增强其机械性能。这种结构的优化不仅提升了水凝胶的强度，还改善了其在体内环境中的适应性，使其能够有效填充不规则的骨缺损。

此外，研究人员还对水凝胶的膨胀特性进行了系统评估。结果显示，所有样品在从冻干状态转为湿润状态时均能吸收大量水分，并在28天内保持膨胀度的稳定性。这一特性对于骨组织修复至关重要，因为水凝胶需要在植入后维持其体积，以确保与骨组织的良好接触。值得注意的是，含有最高比例nHAp的样品显示出略微降低的膨胀度，这可能与纳米颗粒的引入导致聚合物网络结构更加紧密有关。这种结构变化有助于减少水分的过度吸收，从而避免对骨组织的干扰。

在机械性能测试中，研究人员通过压缩测试评估了不同nHAp含量的水凝胶的力学行为。结果显示，随着nHAp含量的增加，水凝胶的压缩模量显著提高。特别是当nHAp含量达到20%和30%时，其压缩强度分别达到了388 kPa和342 kPa，远高于未掺杂的YE水凝胶（208 kPa）。这一机械性能的提升对于骨组织工程应用至关重要，因为水凝胶需要能够承受骨组织的生理负荷，同时保持其结构的完整性。

为了验证水凝胶在实际应用中的可行性，研究人员使用了猪骨作为模型，模拟骨缺损的修复过程。通过注射和光照固化，水凝胶能够有效地填充骨腔，并在后续的微CT扫描中显示出良好的结构保持性。这些结果表明，该水凝胶不仅具有良好的注射性能，还能够在体内环境中稳定存在，从而支持骨组织的再生过程。

在细胞相容性方面，研究人员通过MTS试剂检测了MC3T3-E1细胞的存活情况，并发现所有样品均能维持细胞的高存活率。这进一步证明了水凝胶的生物相容性，使其在临床应用中具有较高的安全性。此外，通过AO/EB染色实验，研究人员观察到大多数细胞呈现绿色荧光，表明其处于活化状态。细胞形态的分析也显示，与对照组相比，水凝胶处理的细胞形态相似，未出现明显的毒性反应。

初步的矿化研究通过茜素红S染色法进行，结果显示，含有nHAp的水凝胶能够促进成纤维细胞的钙沉积，表明其可能具有一定的成骨诱导能力。这一特性对于骨组织再生尤为重要，因为钙沉积是骨形成的重要标志。尽管未掺杂nHAp的水凝胶未表现出矿化现象，但其良好的生物相容性仍然为骨组织工程提供了重要的基础。

研究还对水凝胶的酶解稳定性进行了评估。通过将样品暴露于透明质酸酶（hyaluronidase）中，研究人员发现，尽管水凝胶在酶解条件下表现出一定的降解，但其残留重量仍高于纯水解条件下的降解程度。这表明，水凝胶在体内环境中能够维持较长时间的结构完整性，从而为骨组织的再生提供更长的支持时间。

总体而言，这项研究展示了一种基于硫醇-炔点击化学的新型水凝胶材料，该材料不仅具备良好的生物相容性和机械性能，还能够有效填充骨缺损并促进骨组织的再生。其快速凝胶化特性、稳定的膨胀度和优异的水解稳定性，使其在骨组织工程领域具有广阔的应用前景。通过进一步的临床试验和优化，这种材料有望成为治疗骨缺损和促进骨再生的重要工具。