基于小角/超小角中子散射技术的GelMA水凝胶及其复合材料的纳米结构表征与组织工程应用

本研究通过小角/超小角中子散射技术（SANS/USANS）揭示了明胶甲基丙烯酰胺（GelMA）水凝胶在软/硬两种状态下的纳米结构差异，发现高交联度凝胶会形成8 nm致密交联聚集体但基本孔隙保持稳定（4.5-4.7 nm）。研究人员进一步解析了N-庚基半乳糖酰胺（GalC7）超分子纤维的128 nm厚度和3.7 nm重复堆叠结构，证实其与GelMA复合时不会破坏网络结构。该研究为精确调控组织工程支架的力学-结构关系提供了重要依据。

　　

在组织工程领域，模拟细胞外基质（ECM）的水凝胶需要精确控制力学性能和微观结构，但传统表征技术如扫描电镜（SEM）因样品制备过程会严重扭曲真实结构。更棘手的是，目前对常用材料明胶甲基丙烯酰胺（GelMA）在不同交联状态下的纳米级结构变化缺乏系统认知，而新兴的超分子纤维复合水凝胶的相互作用机制也亟待阐明。

针对这些关键问题，奥克兰大学（University of Auckland）的研究团队创新性地采用小角/超小角中子散射（SANS/USANS）技术，对两类重要生物材料展开研究：一是比较软态（7.3 kPa）与硬态（30.5 kPa）GelMA水凝胶的纳米结构差异，二是解析新型复合水凝胶中GelMA与GalC7超分子纤维的相互作用机制。

研究主要运用了三种关键技术：通过原子力显微镜（AFM）进行力学性能表征，采用多距离配置的SANS/USANS获取1 nm-20 μm跨尺度结构信息，结合傅里叶变换红外光谱（FTIR）验证材料化学稳定性。特别值得注意的是，团队通过D₂O对比增强技术显著提高了中子散射的信噪比。

2.1 纯GelMA水凝胶的散射特征
研究发现虽然硬态GelMA的杨氏模量提升4倍，但其主要网络孔隙仅从4.7 nm微降至4.5 nm。关键差异在于硬态凝胶中出现了8.0 nm的致密交联聚集体，这通过Kratky图中0.016 ?^-1处的特征峰得以证实。USANS数据进一步显示硬态凝胶具有更高的分形维度（3.07 vs 2.65），表明其网络分支更密集。

2.2 GalC7凝胶的结构解析
对自组装GalC7纤维的散射分析首次精确测定其厚度为128 nm，并发现3.7 nm的周期性层状结构对应于分子双层排列。在0.17 ?^-1处出现的尖锐峰证实了该超分子组装的高度有序性，这与前期SAXS研究结果相互印证。

2.3 复合水凝胶的相互作用
对比复合凝胶与单纯叠加的散射曲线发现，GalC7纤维的引入未改变GelMA网络的基本特征，仅引起散射强度的轻微变化。FTIR谱图证实两者间无化学相互作用，USANS数据显示复合体系保持质量分形特征（指数2.8）。

这项研究的重要意义在于：首次通过中子散射揭示了GelMA刚度提升主要源于局部交联聚集而非整体孔隙收缩，这解释了为何细胞在软/硬凝胶中感知到的平均孔径相似但力学响应迥异。对GalC7/GelMA复合体系的精准表征，则为设计具有多级结构的仿生支架提供了新思路。研究团队特别指出，相较于传统电镜方法，中子散射技术能更真实地反映水凝胶的溶胀状态结构特征，这种表征方法学的突破将对组织工程材料的优化设计产生深远影响。