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为解决胶原基生物材料力学性能有限的问题，武汉大学研究人员开展扭转交联（TC）法制备胶原水凝胶研究，成功制备出强韧水凝胶，细胞相容性良好，为生物医学应用提供新策略。
扭转交联：解锁胶原水凝胶新 “肌” 能
在生物医学领域，材料的性能往往决定着治疗的效果与未来的发展方向。就像搭建一座坚固的大厦需要优质的建筑材料一样，组织工程和再生医学也迫切需要性能卓越的生物材料。胶原蛋白，作为细胞外基质（ECM）的主要成分，凭借其良好的生物相容性，一直是生物材料领域的 “潜力股”，在体外组织建模、药物递送和组织工程等方面都有广泛应用。
然而，理想很丰满，现实却很骨感。由重组胶原蛋白制成的水凝胶，虽然有着诸多优点，但机械性能却不尽如人意，刚度、拉伸强度和韧性较低，这就好比一座看似华丽却不坚固的大厦，难以承受实际的压力，严重限制了其在承重生物医学场景中的应用。在构建功能性组织构建体时，机械性能更是关键，它直接关系到构建体在体内能否成功整合并长期发挥功能，这一问题成为了制约胶原蛋白在生物医学领域进一步发展的 “拦路虎”。
为了攻克这一难题，武汉大学的研究人员挺身而出，开展了一项极具创新性的研究。他们从日常生活中拧毛巾脱水的现象获得灵感，提出了一种全新的扭转交联（TC）方法，旨在快速制备出强韧的胶原水凝胶，为生物医学材料的发展开辟新的道路。该研究成果发表于Cell Reports Physical Science期刊，为组织工程和再生医学带来了新的希望。
研究人员在这项研究中采用了多种关键技术方法。首先，利用定制的模具和扭转装置对胶原水凝胶进行处理，通过扭转诱导其脱水致密化；然后，使用化学交联剂（如K2PtCl4、京尼平）进行交联，以增强水凝胶的机械性能；同时，运用扫描电子显微镜（SEM）对水凝胶的微观结构进行表征；还通过拉伸测试、应力松弛测试和循环拉伸测试等手段，对水凝胶的力学性能进行全面评估；此外，进行三维细胞培养实验，以探究水凝胶的细胞相容性。
下面来详细看看他们的研究结果：
- 致密化胶原水凝胶的制备：研究人员设计了一种特殊的聚二甲基硅氧烷（PDMS）模具，制备出跑道形的胶原水凝胶，然后将其安装在定制的扭转系统上进行扭转，成功制备出致密化的 T-Col。实验发现，随着扭转角度的增加，胶原质量分数显著提高，当扭转角度达到 300°/mm 时，质量分数可达到与天然肌腱组织相当的水平。通过 SEM 观察发现，扭转后的胶原水凝胶呈现出有序的微观结构，纤维排列更加紧密且沿轴向方向排列，孔隙率明显降低，这表明扭转方法能够有效诱导胶原水凝胶形成致密、有序且具有层次结构的微观组织。
- 胶原水凝胶的交联与机械性能增强：对 T-Col 进行拉伸测试发现，T300（扭转角度为 300/mm 的水凝胶）的应力耐受性相比未扭转的 T0 显著提高，模量也有了数量级的提升。在扭转后引入交联剂进行化学交联，得到的 TC-Col 机械性能进一步增强。例如，TC300 的模量从 0.4MPa 提升至 14.4MPa，极限强度从 0.1MPa 提高到 4.4MPa，与天然承重软组织（如未成熟半月板和肌腱）的机械特性非常相似。同时，交联后的水凝胶在应力松弛测试中表现出更好的弹性响应，在循环拉伸测试中残余应变增加幅度较小，显示出较强的抗疲劳性，且在体外降解实验中表现出更好的稳定性。
- TC-Col 中的细胞包封与培养：将 NIH/3T3 细胞均匀包封在胶原溶液中，形成细胞负载的水凝胶，然后进行 TC 处理。研究发现，细胞在 TC300 中存活率高，细胞形态从圆形逐渐变为椭圆形，并沿纤维方向伸长。细胞活力在封装后虽有所下降，但 7 天后稳定在 88% 左右，表明 TC300 具有良好的生物相容性。对细胞进行染色观察发现，随着培养时间的延长，细胞伸长比和铺展面积均显著增加，且细胞的伸长和铺展与胶原纤维的致密化、排列和重塑密切相关。此外，细胞负载的 TC300 在培养期间模量和极限强度保持相对稳定。
- 高阶胶原结构和工程组织的制备：研究人员通过对初级胶原支架（T300）进行过度扭转并逐渐缩短固定端之间的距离，制备出螺旋状的胶原结构（螺旋 TC300），进一步交联后发现其微观结构更加致密有序。力学测试表明，螺旋结构显著提高了 TC300 的延展性，且细胞在螺旋 TC300 中具有良好的活力。同时，研究人员还通过将多股 T300 扭转在一起制备出编织状的胶原结构（编织 TC300），虽然在机械测试中遇到了一些问题，但通过缝合固定后，其能够承受较大的载荷和伸长，且细胞在编织 TC300 中也能保持高活力。
总的来说，该研究成功开发了一种简单有效的 TC 方法，能够快速使胶原水凝胶致密化、增强其强度和韧性。制备出的 TC-Col 模量高达 14.4MPa，极限强度达到 4.4MPa，远超以往报道的胶原水凝胶。而且，TC-Col 在应力松弛测试中能保持较高的残余应力，在循环加载 - 卸载后残余应变较低，展现出优异的弹性和稳定性。高阶螺旋和编织结构的形成进一步提升了其机械性能，拓展了 TC 方法的应用范围。细胞包封和培养实验表明，TC-Col 具有良好的细胞相容性，细胞在其中能够良好地存活、铺展、伸长和排列，有望成为构建强韧组织的仿生材料。这项研究为组织强化和增韧机制提供了新的见解，在承重组织修复和再生医学等生物医学应用领域具有巨大的潜力。不过，该研究也存在一些局限性，如制备的水凝胶为圆形横截面，可能不适合需要扁平或膜状支架的应用；水凝胶致密化和机械性能增强的具体机制尚不清楚；且主要进行的是基础体外实验，缺乏全面的长期细胞培养评估和体内验证。未来，研究人员将聚焦于为特定应用定制支架形状，并开展体内研究，进一步评估其在组织修复和再生中的效果。
