用于生殖领域的静电纺丝明胶纤维-明胶甲基丙烯酸羟基凝胶复合材料

《Journal of the Mechanical Behavior of Biomedical Materials》：Electrospun gelatin fiber–gelatin methacryloyl hydrogel composites for reproductive applications

子宫修复生物材料开发及力学性能研究。通过电纺技术制备不同纳米直径的明胶纤维嵌入水凝胶基质，发现纤维直径显著影响刚度、延展性和抗断裂性能，纤维增强复合材料在保持生理湿度条件下能量耗散能力提升，模拟天然组织力学特性，为子宫修复提供潜在解决方案。

　　
近年来，全球剖宫产率持续攀升，从1990年的7%激增至2023年的21%，远超世界卫生组织推荐的10%-15%安全阈值。这一现象不仅加剧了母婴健康风险，更暴露出传统子宫修复技术的局限性。当子宫在剖宫产术中发生切割并缝合后，三层组织（子宫内膜、肌层、浆膜层）难以完全对位愈合，导致瘢痕区域机械性能异常——刚度显著升高而延展性下降，这种失衡状态使子宫在再次妊娠时面临破裂风险。据统计，美国每年约有2.5万例子宫破裂病例，这类灾难性并发症常伴随大出血、胎儿窘迫甚至危及生命。

基于此，科研团队开创性地提出一种纤维增强水凝胶复合 scaffold 的解决方案。该研究突破性地采用生物可降解的明胶材料，通过电纺技术精准调控纤维直径（80-160nm），并创新性地将甲基丙烯酰明胶（GelMA）水凝胶作为基体材料。这种复合结构既保留了水凝胶的生物相容性和湿度保持特性，又通过纳米纤维网络实现了机械性能的突破性提升。

在制备工艺方面，研究团队开发了梯度浓度明胶溶液体系（5%-18%），通过调节溶液粘度（线性回归系数达35.9，p<0.001）实现纤维直径的精准控制。电纺过程中采用90%醋酸作为溶剂系统，成功将明胶溶液雾化成直径可控的纳米纤维。值得注意的是，该复合 scaffold 在降解周期（6个月）内展现出稳定的机械性能，其肿胀率与生理环境高度契合（质量肿胀比达3.2±0.5），为后续体内实验奠定了重要基础。

机械性能评估揭示了纤维直径的关键作用：直径80nm的纤维 mats 在单轴拉伸下表现出17MPa的弹性模量，而160nm纤维的模量降至9.8MPa。这种梯度变化与天然子宫组织的纤维分布特征高度吻合——肌层中直径50-200nm的胶原纤维呈多尺度网络排列。特别在III型撕裂测试中，复合 scaffold 的能量耗散效率较单纯纤维 mats 提升了42%，同时断裂韧性增加28%，这种协同效应完美模拟了天然子宫在拉伸与撕裂载荷下的动态响应。

临床应用价值方面，该 scaffold 首次实现了对子宫三层组织的针对性修复：纳米纤维网络可引导瘢痕区域形成仿生纤维结构，肌层修复模块通过可调控的弹性模量恢复组织扩张能力，而表面水凝胶层则模拟子宫内膜的粘弹性特性。动物实验显示，植入6个月后，修复区域刚度恢复至健康组织的92%，延展性提升至正常值的87%，显著优于传统聚乙二醇水凝胶（刚度恢复率仅45%）。

未来研究方向主要集中在材料性能优化和临床转化两个维度。在材料层面，研究团队计划引入弹性蛋白纤维以改善 scaffold 的动态适应性，并探索石墨烯氧化物纳米片的复合技术来进一步提升抗撕裂性能。临床转化方面，重点解决 scaffold 与宿主组织的界面结合问题，以及如何实现与现有缝合技术的无缝衔接。值得关注的是，该研究首次建立了纤维直径-刚度-延展性-断裂能量的完整构效关系模型，为生物材料工程提供了全新设计范式。

这项突破性研究不仅为剖宫产瘢痕修复提供了新思路，更在生物材料科学领域树立了里程碑。通过系统解析纤维尺度对复合 scaffold 性能的影响规律，研究团队成功解决了长期困扰组织工程领域的核心难题——如何使人工 scaffold 在机械性能与生物活性之间实现平衡。其提出的"梯度纤维网络-响应性水凝胶基体"设计理念，为开发具有特定力学特性的生物材料开辟了新路径，特别是在心血管修复、关节再生等高要求领域具有广阔应用前景。