可降解纳米复合水凝胶的准静态与动态纳米压痕力学-化学分析及其在再生医学中的应用

本研究针对再生医学中药物递送系统的机械-化学协同调控需求，通过生物打印构建了四种钠藻酸盐/明胶（NaAlg/Gel）基纳米复合水凝胶贴片，结合准静态与动态纳米压痕技术系统分析了交联和脂质体负载吲哚菁绿（ICG）对材料表面力学性能的影响。研究发现ICG通过螯合Ca2+显著抑制交联效率，而空脂质体（Lip）会降低基质刚度。该研究为设计具有定制化机械性能和药物控释功能的组织工程支架提供了新思路。

　　

在再生医学领域，开发兼具力学适配性和药物控释功能的生物材料是重大挑战。天然水凝胶如钠藻酸盐（NaAlg）和明胶（Gel）虽具有良好的生物相容性，但其机械性能与药物保护能力往往难以兼顾。特别是当引入光敏剂吲哚菁绿（ICG）等功能分子时，材料的结构-功能关系更趋复杂。传统表征方法难以解析纳米尺度下各组分对材料表面力学行为的协同影响，这严重制约了精准化组织修复材料的开发。

为解决这一难题，Antonio de Nigris团队在《Colloids and Surfaces B: Biointerfaces》发表研究，创新性地将生物打印与多模式纳米压痕技术相结合。研究人员通过反向蒸发法制备单分散脂质体（平均粒径112-129 nm），采用气动挤出式生物打印制备了四种贴片：NaAlg/Gel（PS₀）、含游离ICG（PS₁）、含空脂质体（PS₀₁）和ICG负载脂质体（PS₂）。运用Berkovich压头进行准静态测试（压入深度500 nm），同时采用50μm平头圆柱压头进行动态测试（频率10Hz），系统表征了交联前后样品的弹性模量（E）、硬度（H）及复剪切模量（G'、G"）。

准静态测试揭示交联拮抗效应

通过Oliver-Pharr模型分析发现：非交联组中PS₁的E值最高（3.61 GPa），表明游离ICG能增强基质内聚力；而PS₀₁的E值降低26%（2.30 GPa），说明脂质体作为结构缺陷削弱了网络强度。经Ca²⁺交联后，PS₀的E值提升48%至4.54 GPa，但PS₁反而下降38%，证实ICG的磺酸基团通过螯合作用（如图5所示）竞争性消耗交联剂。异常的是PS₂交联前后E值无显著变化（2.20 vs 2.50 GPa），揭示磷脂双分子层对Ca²⁺的额外捕获效应。

动态测试验证粘弹性调控机制

Kelvin-Voigt模型分析显示：交联使PS₀的G'从97 MPa升至144 MPa，G"从37 MPa增至49 MPa，说明交联网络同时增强了弹性和粘性响应。而PS₂的G'始终低于32 MPa，证实脂质体-ICG复合体系产生双重钙离子螯合（dual sequestering effect）。特别值得注意的是PS₁交联后G'激增118%但G"仅增加8倍，表明ICG在增强弹性同时抑制了能量耗散。

统计验证确保结果可靠性

Welch t检验（α=0.05）证实所有组间差异具有统计学意义（|t|>t_critical）。如PS₂与PS₀的非交联组G'比较t=35.11（df=42.57），交叉验证了脂质体的弱化效应。

该研究首次揭示了ICG和脂质体对水凝胶机械性能的拮抗调控机制：ICG通过分子螯合、脂质体通过电荷捕获共同影响Ca²⁺交联效率。这一发现为开发力学可调的"智能"敷料提供了理论依据——通过精确调控ICG/脂质体比例，可平衡材料的机械强度和药物控释功能。研究建立的纳米压痕表征体系，弥补了传统流变学在表面力学分析上的不足，为生物材料界面性能研究提供了新范式。未来可基于此开发具有梯度力学性能的多层贴片，更好地模拟天然组织的机械异质性。