表面修饰介孔二氧化硅纳米颗粒在3D打印纳米复合水凝胶中的功能性酶递送研究

本研究针对组织工程中生物活性分子递送效率低、活性难保持的难题，通过开发负载HRP和溶菌酶的表面修饰介孔二氧化硅纳米颗粒（MSNs）复合水凝胶体系，结合MP-SPR和MD模拟揭示了表面电荷对酶活性的调控机制，成功实现3D打印生物催化支架的构建，为创面修复提供了新型功能化递送平台。

　　

在组织工程和创面修复领域，如何实现生物活性分子的高效递送并保持其功能活性一直是重大挑战。传统水凝胶支架虽然具有类似细胞外基质（ECM）的结构特性，但存在机械强度不足、生物分子易失活等问题。特别是当需要精确控制生物活性分子释放时，现有递送系统往往难以兼顾载药量、稳定性和功能保持等多重要求。介孔二氧化硅纳米颗粒（MSNs）因其可调的孔径和表面化学性质被视为理想载体，但其与不同电荷特性生物分子的相互作用机制尚不明确，这严重制约了其在功能性生物材料中的应用。

针对这一科学问题，芬兰奥博学术大学（?bo Akademi University）的研究团队在《European Journal of Pharmaceutical Sciences》发表了创新性研究。该工作选取辣根过氧化物酶（HRP）和溶菌酶作为模型蛋白，系统研究了不同表面电荷修饰的MSNs（正电荷PEI-MSNs、近中性ACA-MSNs和负电荷SUC-MSNs）对酶固定化和活性的影响，并成功将其整合到由TEMPO氧化纤维素纳米纤维（T-CNF）和甲基丙烯酸化半乳葡甘露聚糖（GGMMA）构成的3D可打印纳米复合水凝胶中。

研究采用多参数表面等离子体共振（MP-SPR）和分子动力学（MD）模拟揭示了酶与纳米颗粒的相互作用机制。通过测定ζ电位、吸附容量和释放动力学评估固定化效果，采用流变学测试优化打印性能，最终通过半固态挤出3D打印技术构建生物催化支架，并系统考察了光交联过程对酶活性的影响。

研究结果部分，4.1章节显示成功合成了粒径均一（134-245 nm）、不同表面电荷的MSNs，TEM证实其具有10 nm大孔道结构。4.2章节发现PEI-MSNs对HRP的吸附量最高（28.5%），而SUC-MSNs最适溶菌酶固定（12%）。4.3章节的释放实验表明，ACA-MSNs负载的HRP呈现持续释放特性（22% after 24h），而溶菌酶在所有载体中均显示较快释放（50% within 4h）。

4.4章节通过MP-SPR测得HRP与Si-PEI的平衡解离常数KD为4.44×10^-7 M，MD模拟进一步揭示PEI-MSNs通过盐桥和π-阳离子相互作用影响HRP活性中心。4.5章节证实ACA-MSNs负载的HRP保持4 U/mg活性，SUC-MSNs负载的溶菌酶活性达15×10³ U/mg，显著优于PEI-MSNs体系。

4.6章节的流变学测试显示，溶菌酶-SUC纳米复合水凝胶具有最高稠度指数（37 Pas），但溶菌酶直接负载的水凝胶因电荷屏蔽效应无法打印。4.7章节证实光引发剂LAP导致酶活性下降70%，但纳米复合支架仍能实现持续释放（HRP 23% after 24h）。

该研究创新性地证明：表面电荷是调控MSNs酶负载与活性的关键因素，近中性ACA-MSNs最适合HRP递送而负电荷SUC-MSNs适于溶菌酶。通过将优化后的酶-MSNs复合物与植物基水凝胶整合，首次实现了生物催化纳米复合支架的3D打印，尽管光交联过程仍需优化。这项工作为设计功能性组织工程支架提供了新思路，特别是创面愈合应用中需要时序控制多种生物活性分子释放的场景。研究建立的表面电荷-活性调控规律可拓展至其他蛋白类药物递送系统，MD模拟与MP-SPR联用的策略也为纳米-生物分子相互作用研究提供了方法论参考。未来通过开发无光引发剂交联体系或可进一步突破酶活性保持的技术瓶颈。