紫外光快速诱导的丝素蛋白甲基丙烯酸酯增强聚丙烯酰胺三重交联水凝胶：一种高强度仿生软骨替代材料

针对软骨替代材料机械性能不足的难题，研究人员通过将甲基丙烯酸化丝素蛋白（SFMA）与聚丙烯酰胺（PAM）结合，开发出10秒紫外光快速固化的三重交联水凝胶（SFMA-AM）。经乙醇处理后（SFMA-AM ET），其压缩强度达4.4 MPa，疲劳寿命超800次，兼具优异生物相容性，为负载型组织工程提供了新策略。

　　

在生物医学领域，开发能模拟天然软骨力学性能的水凝胶一直是重大挑战。天然软骨需要承受反复机械载荷，而现有水凝胶材料往往难以兼顾高强度与生物相容性。丝素蛋白（SF）虽具有优异的生物相容性和可调力学性能，但纯SF水凝胶的机械强度不足；聚丙烯酰胺（PAM）虽易加工，但其网络结构脆弱。如何通过分子设计整合两者优势，成为突破软骨替代材料瓶颈的关键。

北京积水潭医院与北京航空航天大学的研究团队在《International Journal of Biological Macromolecules》发表研究，提出创新解决方案：利用甲基丙烯酸化丝素蛋白（SFMA）作为生物大分子交联剂，与PAM通过紫外光引发原位聚合（10秒完成），构建三重交联网络（共价键、疏水作用、氢键）。通过乙醇后处理诱导β-折叠构象增强，最终获得兼具高强度与生物活性的水凝胶。

关键技术包括：1）SFMA的合成（GMA与SF赖氨酸残基开环反应）；2）紫外光引发快速聚合（LAP光引发剂）；3）乙醇诱导物理交联强化；4）体外细胞相容性评价及小鼠皮下植入模型验证。

结构设计
通过GMA修饰SF引入甲基丙烯酸酯基团（图1a），使其参与UV交联。SFMA-AM体系包含丙烯酰胺（AM）、硬脂酰丙烯酸酯（SA）、SDS和NaCl，形成疏水缔合网络。紫外固化后，SFMA的β-折叠结晶域与PAM网络形成互穿结构（图1b）。

力学性能
原始SFMA-AM水凝胶压缩模量达580 kPa，乙醇处理后（SFMA-AM ET）压缩强度提升至4.4 MPa，疲劳测试800次无结构破坏。这种增强归因于乙醇诱导的SF分子构象转变（随机卷曲→β-折叠），增加了氢键密度和物理交联点。

生物相容性
体外实验显示SFMA促进细胞增殖，小鼠皮下植入证实材料无炎症反应。SF的GAGAGS序列（甘氨酸-丙氨酸重复单元）提供了细胞粘附位点，而PAM网络维持了水分和营养传输功能。

该研究通过三重交联策略（化学交联、疏水作用、氢键）和乙醇后处理，实现了水凝胶力学性能的突破性提升。SFMA的引入不仅加速了凝胶过程，还赋予材料生物活性，为负载型组织工程（如关节软骨修复）提供了新思路。研究首次证明短时紫外固化与生物大分子自组装协同强化的可行性，为PAM基水凝胶的临床应用开辟了新途径。