逆向温敏性明胶rev-Gelatin的仿生设计与生物医学应用：基于糖果-冰相变启发的止血与黏膜下注射研究

《Macromolecular Bioscience》：rev-Gelatin: A Gelatin with Reverse Thermo-Responsive Behavior Inspired by Candy and Ice Cubes Phase Dynamics

本文报道了一种突破性逆向温敏生物材料rev-Gelatin，通过微凝胶表面熔融机制实现从室温可注射溶胶到生理温度凝胶的智能相变（sol-to-gel transition）。该材料灵感源自糖果/冰块表面熔融粘连现象，在止血应用中可减少94%失血量（2.47±1.52 g→0.15±0.05 g），在黏膜下注射（SIA）维持83%初始抬举高度达15分钟，为无化学修饰的智能生物材料开发提供新范式。

　　

逆向温敏性明胶rev-Gelatin的仿生设计与应用

1 引言

传统明胶(gelatin)在30°C以上发生凝胶-溶胶(gel-to-sol)转变的特性限制了其在生物医学领域的应用。受糖果和冰块表面部分熔融后粘连现象的启发，研究者开发出具有逆向温敏特性的rev-Gelatin。这种材料在室温保持溶胶状态（20°C时G′=8.69×10^-3 Pa），升温至生理温度（30°C）时通过微凝胶表面熔融形成稳定凝胶（G′=1.04×10² Pa），实现了与传统明胶相反的相变行为。

2 结果与讨论

2.1 明胶微凝胶的制备与表征

采用水包油乳液法制备直径31.1±12.9 μm的明胶微凝胶，溶胀后体积扩大16.6倍。扫描电镜(SEM)显示微凝胶在30°C时通过表面熔融形成多孔网络结构。流变测试揭示其独特的"溶胶-凝胶-溶胶"三相转变：5 wt%浓度下在25°C开始粘连，32°C达到最大弹性模量，35°C后恢复流体特性。

2.2 物理特性分析

20 wt% rev-Gelatin在体温条件下展现显著的结构稳定性：体外实验中1 cm³凝胶块在37°C可维持91.7±2.9%原始高度达15分钟，而传统明胶在10分钟内完全溶解。这种稳定性源于微凝胶边界对热传导的阻碍作用，完全熔融的对照组在8分钟内即失去28.3±2.9%高度。

2.3 止血性能评估

在大鼠肝脏出血模型中，rev-Gelatin展现出卓越的止血效果：

• 止血时间缩短50%（217±66 s→108±56 s）

• 失血量降低94%（2.47±1.52 g→0.15±0.05 g）

其机制是通过接触30°C创面时快速形成物理屏障，优于传统明胶（失血量2.02±1.17 g）和已有报道的儿茶酚改性明胶（降低80%失血量）。

2.4 黏膜下注射性能

在猪胃模型实验中，rev-Gelatin作为黏膜下注射剂(SIA)表现突出：

• 注射后15分钟仍保持83.0±3.0%初始抬举高度

• 显著优于Pluronic F127等传统材料

• 可通过18G针头顺利注射，满足临床操作需求

2.5 生物相容性验证

• 细胞毒性测试：HeLa细胞存活率114.97%（CCK-8法）

• 溶血率仅0.33±0.07%（远低于5%安全阈值）

• 内毒素含量0.106±0.00067 EU/mL，符合ISO10993标准

3 结论

rev-Gelatin通过仿生设计实现了无化学修饰的逆向温敏特性，在止血和微创手术领域展现出显著优势。其独特的微凝胶表面熔融机制为智能生物材料开发提供了新思路，未来可拓展至药物控释、组织工程等更广泛领域。

4 实验方法

研究采用标准化的生物学评价体系：

• 流变学测试：MCR 102流变仪，1 Hz频率

• 动物实验：SD大鼠（300 g）肝脏出血模型

• 黏膜测试：猪胃模型，37°C恒温环境

所有实验均通过KAIST伦理委员会审批（KA2023-011）。