I型胶原蛋白状态图：为仿生材料理性设计提供新范式

本研究针对现有胶原基生物材料难以模拟细胞外基质(ECM)天然结构的难题，通过建立I型胶原在溶液和纤维状态下的完整状态图，揭示了未报道的分子-纤维共存态和极端浓度下的玻璃态，为组织工程和3D细胞培养提供了可预测的材料加工指导。研究整合SAXS/WAXS/DSC等多技术联用，发现胶原纤维可在不调节pH/渗透压条件下自发形成，将推动更接近天然组织特性的生物材料开发。

　　

在组织工程和再生医学领域，如何精确模拟天然细胞外基质(ECM)的复杂结构和功能一直是重大挑战。作为ECM的主要成分，I型胶原蛋白在体内能自发组装成具有67 nm D-带周期的纤维结构，但体外制备时往往需要严格调控pH和离子强度。更令人困扰的是，现有生物材料加工技术如冷冻成型、电纺丝等常涉及剧烈的温度和浓度变化，导致胶原分子变性或无法形成天然纤维结构。这种"仿生而不似生"的困境严重制约了组织移植物的生物整合性和功能性。

为破解这一难题，巴黎萨克雷大学和索邦大学的研究团队在《Cell Biomaterials》发表重要研究，首次建立了I型胶原在5.6-1,350 mg·mL^-1浓度范围和-80°C至80°C温度范围内的完整状态图。这项研究不仅发现了分子态与纤维态共存的新相区，还揭示了极端低温高浓度条件下形成的玻璃态，为生物材料加工提供了"导航地图"。通过精确控制加工路径，研究人员成功制备出具有天然纤维结构的胶原支架，将推动组织工程材料向更高仿生度迈进。

研究采用多尺度表征技术联用策略：通过差示扫描量热法(DSC)测定变性温度(T_d)和玻璃化转变温度(T_g)；小角/广角X射线散射(SAXS/WAXS)解析分子排列和D-带周期；透射电镜(TEM)直接观察纤维形貌；动态机械分析(DMA)和流变学评估力学性能；偏光光学显微镜(PLOM)检测液晶相变。所有实验均使用从大鼠尾腱提取的I型胶原，并通过蒸发浓缩获得系列浓度样品。

酸溶性胶原的状态图
研究首次绘制了酸溶性胶原的完整状态图，发现当浓度超过200 mg·mL^-1时，胶原分子会自发形成具有67 nm周期性的纤维状聚集体，这一现象在3 mM HCl条件下无需pH或渗透压调节。SAXS检测到12级衍射峰，WAXS显示分子间距从1.45 nm(40 mg·mL^-1)压缩至1.36 nm(900 mg·mL^-1)。DSC揭示出两个关键转变：在40-60°C区间存在分子态与纤维态共存的过渡区；临界浓度530 mg·mL^-1时体系进入玻璃态，T_g为-13.9°C，接近干燥胶原的T_g(-12.5°C)。

纤维态胶原的状态图
通过10x PBS诱导纤维形成后，TEM显示所有浓度下均能形成D-带条纹的纤维，但高浓度(900 mg·mL^-1)下纤维尺寸减小。值得注意的是，WAXS测得的分子间距稳定在1.36 nm，与溶液态最高浓度时间距相同，表明纤维形成过程能克服初始浓度差异，建立统一的分子堆积。DSC测得纤维的T_d稳定在55°C左右，临界浓度升至680 mg·mL^-1，T_g降至-25°C，这些参数为材料后处理(如压缩成型)提供了安全窗口。

在冷冻成型中的应用
以40 mg·mL^-1胶原溶液为例，冷冻过程中胶原被排挤到冰晶间隙，浓度沿液相线升至530 mg·mL^-1。原位冷冻共聚焦显示，PBS扩散前沿(引发纤维形成)与冰融前沿存在速度差，导致最终纤维网络浓度降至230 mg·mL^-1。TEM证实所得材料具有与天然组织相似的紧密纤维网络，验证了状态图对加工参数的预测能力。

这项研究通过建立I型胶原的全参数状态图，从根本上改变了生物材料设计的经验主义模式。状态图不仅解释了传统加工技术难以复制ECM结构的原因，更为开发新型仿生材料提供了理论框架：在溶液加工时，可通过控制路径避开分子变性区；在纤维后处理时，可根据T_g和T_d边界选择适宜工艺。特别值得注意的是，研究发现的分子-纤维共存态可能为病理条件下ECM异常组装提供新见解，而极端浓度下形成的玻璃态则拓展了胶原在低温保存中的应用潜力。这项工作将显著提升组织工程移植物、3D细胞培养支架等材料的仿生性能，推动再生医学向更高水平发展。