机械增强自修复水凝胶：基于甲基丙烯酸化胶原肽-黄原胶互穿网络的生物打印仿生构建体用于韧带再生

（编辑推荐）本研究创新性开发了甲基丙烯酸化胶原肽-黄原胶（COPMA-XG）互穿网络生物墨水，通过光交联和氢键协同作用实现快速成型、机械可调及自修复特性。该构建体支持人骨髓间充质干细胞（hMSCs）增殖并定向分化为韧带细胞，28天内显著提升细胞外基质（ECM）、I型胶原（COL-I）和硬化蛋白（SCX）表达，为韧带组织工程提供了兼具生物活性和结构稳定性的新型解决方案。

　　

1. 甲基丙烯酸化胶原肽（COPMA）的合成与表征

研究团队通过将胶原肽（COP）与甲基丙烯酸酐反应，成功合成具有光交联能力的COPMA。核磁共振氢谱（¹H NMR）显示5.6和5.3 ppm处出现甲基丙烯酰胺特征峰，傅里叶变换红外光谱（FTIR）中1630 cm^-1处C=C伸缩振动峰与酰胺I带重叠。邻苯二甲醛（OPA）测定显示COPMA的取代度高达94.5%，水凝胶渗透色谱（GPC）测得分子量约3003 g·mol^-1。透射电镜（TEM）观察发现COPMA在水中形成纳米颗粒线性簇而非胶原典型纤维结构，这解释了其室温稳定性。

2. 光固化水凝胶的力学性能调控

COPMA水凝胶的储能模量（G′）可通过浓度调节实现数量级跨越：15%浓度时为350±35 Pa，30%浓度时达47±3.7 kPa，50%浓度进一步提升至156±8.1 kPa。光流变测试显示其在365 nm紫外光（20 mW·cm^-2）照射下2分钟内完成固化。应变循环测试（1%-500%交替应变）和切割-重组实验证实其自修复能力源于动态氢键网络，FTIR中N-H/O-H伸缩峰从3294 cm^-1红移至3273 cm^-1印证了该机制。

3. COPMA-XG生物墨水的优化与打印

针对COPMA低粘度缺陷，引入黄原胶（XG）构建互穿网络。COPMA₁₅-XG_3.5（15% COPMA与3.5% XG）表现最优：剪切稀化特性使其可通过30G针头（直径0.159 mm）挤出，40-45 kPa压力下以35-40 mm·s^-1速度打印。扫描电镜（SEM）显示多孔结构（孔径95±45 μm），有利于营养渗透。XG的加入使G′提升12倍（COPMA₁₅-XG_3.5达4027±264 Pa），压缩模量从16.4±0.6 kPa增至27.4±2.0 kPa。

4. 构建体的长期稳定性评估

体外培养100天观察显示，COPMA₁₅-XG_3.5保持形态完整，28天时凝胶分数为77.2±2.2%，溶胀比66.5±3.2%。FTIR分析发现COPMA与XG间形成氢键（酰胺I带从1630 cm^-1移至1627 cm^-1），这种物理-化学双交联网络显著延缓降解。相较之下，纯XG_3.5在24小时内完全溶解。

5. hMSCs的3D培养与韧带分化

400万/mL hMSCs的生物打印构建体在增殖培养基中代谢活性28天增长2.7倍，活死染色显示存活率>90%。分化培养基中细胞呈现典型韧带细胞形态，分泌的糖胺聚糖（GAG）/DNA和总胶原/DNA分别增加3.1倍和4.8倍。免疫荧光证实转化生长因子-β3（TGF-β3）可协同增强I型胶原（COL-I）和硬化蛋白（SCX）表达，分化组SCX阳性面积较增殖组高2.3倍。

6. 浓度依赖的细胞行为调控

提高COPMA浓度至20%时，COPMA₂₀-XG_3.5的G′达11.4±2.4 kPa，但细胞迁移受限。相比之下，COPMA₁₅-XG_3.5更利于细胞迁移和ECM重塑，说明力学特性可精确调控细胞命运。该特性为软骨（需圆形细胞）和韧带（需伸长形态）等不同组织的差异化构建提供可能。

7. 技术优势与临床潜力

相较传统胶原水凝胶，COPMA-XG避免了酸性溶解/中和步骤，室温打印简化了工艺。其自修复特性可适应动态生理环境，而降解速率与组织再生周期匹配。作为首个COP基韧带再生构建体，其通过模拟天然ECM组成（含94.5%活性COP肽段）和力学特性，为软组织修复提供了兼具生物活性和可操作性的新策略。