热诱导凝胶化β-葡聚糖-乳清蛋白复合水凝胶的生物相容性机制研究及其在再生医学中的应用

本研究针对传统热诱导凝胶化β-葡聚糖（Curdlan）水凝胶机械性能差、细胞相容性低的问题，创新性地引入乳清蛋白分离物（WPI）构建Cur/WPI复合水凝胶。通过系统比较两种水凝胶的力学特性、表面形貌、蛋白质吸附行为及体外/体内生物学效应，发现WPI的加入显著提升材料亲水性（接触角降低50%）、表面粗糙度（Sa值提升8.6倍）及机械强度（弹性模量提高12倍），并通过减少血液蛋白构象变化（FTIR证实α-螺旋结构保留率>80%）实现对人软骨细胞/成骨细胞增殖的促进（72小时细胞活性提升3倍）及巨噬细胞炎症因子（IL-6/TNF-α）表达的抑制（p<0.05）。斑马鱼尾鳍再生模型证实复合凝胶提取物使再生速度提升40%，为骨软骨修复材料开发提供新策略。

　　

在组织工程领域，天然多糖基水凝胶因其优异的生物降解性和仿生特性备受关注。其中，由微生物发酵产生的β-1,3-葡聚糖——可得然（Curdlan）因其独特的温度响应性凝胶化特性，在食品包装、药物递送等领域已有广泛应用。然而，当这种通过90℃以上热交联获得的水凝胶试图进军生物医学领域时，却面临两大瓶颈：其一是机械强度不足（Young's modulus通常<0.5 MPa），难以承受骨骼系统的力学负荷；其二是疏水表面导致的蛋白质异常吸附会触发不良免疫反应，这严重限制了其在骨软骨缺损修复中的应用。

来自波兰卢布林医科大学的研究团队另辟蹊径，将食品工业副产品乳清蛋白分离物（Whey Protein Isolate, WPI）引入可得然凝胶体系，构建出新型Cur/WPI复合水凝胶。这项发表于《Carbohydrate Polymers》的研究通过多尺度表征揭示了WPI改善材料性能的三大机制：首先，热处理过程中发生的糖基化反应（Maillard reaction）产生CO₂等气体致孔剂，使复合凝胶表面粗糙度（S_q）达到8.82±0.51 μm，较纯可得然凝胶提升6.5倍；其次，WPI的极性基团将材料表面自由能（SFE）的极性组分占比从38%提升至72%，接触角从98°降至52°；更重要的是，ATR-FTIR光谱的酰胺I带分析显示，复合凝胶吸附的血清白蛋白α-螺旋结构保留率达85%，而纯可得然凝胶则引发明显的β-折叠构象转变（p<0.01）。

研究团队采用"材料-细胞-动物"三级验证体系：在力学测试仪（Shimadzu AG-X Plus）上，复合凝胶展现出12倍于对照的弹性模量（12.4 vs 1.03 MPa）；人原代软骨细胞（hChon）培养72小时后，Live/Dead染色显示复合凝胶组活细胞密度达纯凝胶组的3.2倍；THP-1源性巨噬细胞的qPCR检测发现，复合凝胶使促炎因子IL-6表达量降低67%（p<0.05）；斑马鱼尾鳍再生实验中，12.5 mg/mL的复合凝胶提取物使再生长度增加40%。这些结果从分子-细胞-整体层面证实，WPI的引入通过"物理拓扑结构优化-化学界面修饰-生物信号调控"三重作用机制，将传统可得然凝胶从"生物惰性材料"转变为"促再生活性支架"。

关键技术方法包括：1）采用光学轮廓仪（Bruker Contour GT-K1）量化表面粗糙度参数（S_a/S_q/R_t）；2）通过OWRK法计算表面自由能及其极性/色散组分；3）ELISA结合RIPA缓冲液洗脱定量蛋白质吸附量；4）基于ATR-FTIR的酰胺I带高斯拟合分析蛋白质二级结构；5）使用hFOB 1.19细胞系和人原代软骨细胞（经伦理委员会批准获取）进行CCK-8增殖检测；6）建立LPS/IFN-γ刺激的THP-1巨噬细胞炎症模型；7）采用70 hpf斑马鱼幼虫进行尾鳍再生实验。

3.1 力学性能与弹性
应力-应变曲线显示，Cur/WPI凝胶的压缩强度（σ_c）达0.82±0.11 MPa，是纯凝胶的7倍。应力松弛实验发现复合凝胶的未松弛应力贡献（σ_w）降低15%，表明其具有更优的能量耗散能力，这对承受周期性载荷的骨修复材料至关重要。

3.2 微观结构与表面拓扑
SEM图像揭示纯凝胶表面平整无孔，而复合凝胶呈现多孔结构（孔径20-50 μm）。光学轮廓仪3D重建证实，复合凝胶的算术平均粗糙度（S_a）达6.90±0.27 μm，这种分级粗糙结构有利于细胞伪足锚定。

3.5 蛋白质吸附能力
ELISA检测显示，纯凝胶对白蛋白的吸附量（8.3±1.2 μg/cm²）显著高于复合凝胶，但FTIR显示其引发白蛋白α-螺旋向β-折叠的转变（1655→1635 cm^-1），这种构象变化可能暴露免疫原性表位。

3.7 成骨/软骨细胞响应
CCK-8检测表明，复合凝胶上hFOB 1.19细胞的OD₄₅₀值在72小时达1.85±0.21，是纯凝胶组的2.3倍。研究者认为这归因于WPI持续释放的β-乳球蛋白（72小时累计释放1.2 mg/g）及保留天然构象的吸附蛋白层。

3.9 体内再生潜能
在12.5 mg/mL浓度下，复合凝胶提取物使斑马鱼尾鳍再生长度达0.38±0.03 mm，较对照组提高27%。这种促再生效应可能与材料释放的Maillard反应产物（MRPs）抑制ROS生成有关。

该研究首次阐明WPI通过"孔隙构筑-润湿性调控-蛋白质界面工程"协同提升可得然凝胶生物相容性的机制。特别值得注意的是，复合凝胶在保持可得然固有免疫激活特性的同时（Dectin-1受体识别），通过MRPs的消炎作用实现免疫平衡调控，这种"双向免疫调节"特性对解决植入材料"异物反应"难题具有启示意义。研究者建议未来可进一步优化WPI/可得然配比，并探索该体系在骨关节炎微环境调控中的应用。从转化医学角度看，这种全部组分获GRAS认证（Generally Recognized As Safe）的复合材料，在临床转化路径上具有显著优势。