壳聚糖基酶固定化纳米复合冷冻凝胶的可控生物降解特性及其组织工程应用

本研究针对组织工程支架降解速率与组织再生不匹配的难题，开发了聚(甘油碳酸酯甲基丙烯酸酯)(p(GCMA))纳米颗粒增强的壳聚糖冷冻凝胶。通过固定蛋白酶(7 mg/g)实现可控降解(15天失重17%)，兼具55-60 μm大孔结构和23-35倍溶胀率，L929细胞实验证实其生物相容性，为智能生物材料设计提供新策略。

　　

在器官移植需求激增而供体严重短缺的背景下，全球每年有超过10万患者等待移植。传统移植面临的免疫排斥和终身用药问题，促使组织工程技术成为研究热点。该技术的核心在于构建能模拟细胞外基质(ECM)的临时支架，但其降解速率与组织再生速度的匹配始终是重大挑战——皮肤修复需要1个月快速降解，而骨组织则需1-2年缓慢降解。现有酶促降解方案存在酶易失活、浓度非生理性等问题，特别是缺乏能在正常水解环境下自调节降解的智能支架。

针对这一空白，研究人员开发了基于壳聚糖的纳米复合冷冻凝胶系统。通过合成直径约50 nm的p(GCMA)纳米颗粒，将其整合至大孔结构(55-60 μm)的冷冻凝胶网络，实现了7 mg/g蛋白酶的稳定固定。关键技术包括：纳米乳液聚合法制备p(GCMA)纳米颗粒、低温交联构建冷冻凝胶网络、EDC/NHS介导的酶共价固定，以及体外降解动力学测试和L929细胞毒性评估。

材料合成与表征
采用两步法合成p(GCMA)：先使甘油与碳酸二甲酯(DMC)反应生成甘油碳酸酯(GC)，再通过甲基丙烯酰化引入双键。动态光散射(DLS)显示纳米颗粒平均粒径为49.8±3.2 nm，FTIR证实成功引入碳酸酯键(1745 cm^-1
)和甲基丙烯酸酯基(1635 cm^-1
)。

冷冻凝胶性能优化
含50 mg/mL p(GCMA)的冷冻凝胶展现最优性能：溶胀比达35±2倍，压缩模量提升47%，热分解温度提高18°C。SEM显示相互连通的大孔结构，孔径分布55-60 μm，有利于细胞浸润和营养输送。

酶控降解机制
固定化蛋白酶在PBS中呈现缓释特性，15天累计释放62%。降解实验显示，含酶组15天失重17.3±1.5%，而空白组几乎无降解。流变测试证实储能模量(G')随降解时间逐渐下降，符合一级动力学模型(R²

0.98)。

生物相容性验证
L929细胞在材料浸提液中的存活率>95%，活死染色显示细胞形态正常，表明p(GCMA)纳米颗粒和降解产物均无显著细胞毒性。

该研究首次实现了生理环境下酶控自降解的智能支架设计。通过p(GCMA)纳米颗粒构建的"酶仓库"系统，使降解速率可精确调控（从数周至数月），完美匹配不同组织的再生需求。其突破性在于：①创新性采用碳酸酯基团增强酶固定效率；②降解速率与生理性酶浓度兼容；③保留冷冻凝胶固有的可注射性和自愈合特性。这项工作为心肌修复、皮肤再生等需特定降解周期的临床应用提供了全新解决方案，被《International Journal of Biological Macromolecules》收录发表。