通过壳聚糖/聚吡咯/戊二醛双重交联技术增强胶原纳米纤维支架的性能 Tonantzi Pérez-Moreno, Jesús Humberto Chávez-Meza, Jesús-Salvador Jaime-Ferrer, Gabriel Luna-Bárcenas, Luis G. Arriaga 和 Janet Ledesma-García

《Membranes》：Enhanced Properties of Collagen Nanofiber Scaffolds via Chitosan/Polypyrrole/Glutaraldehyde Double-Crosslinking Tonantzi Pérez-Moreno, Jesús Humberto Chávez-Meza, Jesús-Salvador Jaime-Ferrer, Gabriel Luna-Bárcenas, Luis G. Arriaga and Janet Ledesma-García

　　

为了增强基于胶原（Coll）支架的功能性，研究人员开发了一种结合导电壳聚糖（Ch）和聚吡咯（Ppy）复合材料的双交联策略。利用100 μM的戊二醛（GTA）成功实现了Ch和Ppy的预交联。这促进了亚胺键的形成（经傅里叶变换红外光谱FTIR证实），使其能够与Coll协同整合，并成功通过静电纺丝制备纳米纤维支架。虽然增加Ch-Ppy-GTA的比例影响了纺丝过程，且较高的GTA浓度损害了纤维的均一性，但所有其他测量的性能通常随着比例的增加而改善。至关重要的是，该方法使膜能够保持其形态，并在37 °C的PBS介质中显著延长其降解曲线至20-30天。此外，支架表现出在Na+和Ca2+离子存在下的伪电容特征的电活性。这些发现展示了一种稳健、可调的方法，用于制造适用于先进组织工程的电活性和结构稳定的纳米纤维支架。

本研究由Tonantzi Pérez-Moreno、Jesús Humberto Chávez-Meza等研究人员开展，旨在解决天然高分子支架在组织工程应用中面临的机械强度不足及长期稳定性差等关键问题。胶原蛋白（Coll）作为细胞外基质（ECM）的主要成分，虽具有良好的生物相容性，但其纯支架往往缺乏足够的机械支撑和电活性，限制了其在心脏或神经等电活性组织中的应用。为此，研究人员提出了一种创新的“双交联”策略，将导电聚合物聚吡咯（Ppy）与壳聚糖（Ch）预交联后，再与Coll结合，通过静电纺丝技术制备出结构稳定且具有电化学活性的复合纳米纤维膜。该研究发表在《Membranes》期刊上。

在研究方法中，研究人员首先采用化学合成法制备Ppy，并从牛肌腱中提取Coll。核心技术在于利用低浓度（25、50、100 μM）的戊二醛（GTA）对Ch和Ppy进行预交联处理，随后将混合物与Coll溶液共混，并加入N,N-二甲基甲酰胺（DMF）调节溶液性质，最终通过静电纺丝（电压18–23 kV，接收距离12 cm）制备成膜。表征手段涵盖了扫描电子显微镜（SEM）、傅里叶变换红外光谱（FTIR）、溶胀与失重测试、离子电导率测量（电化学阻抗谱EIS）以及原子力显微镜（AFM）测定杨氏模量。

研究结果部分，首先通过FTIR分析证实了交联机制。数据显示Ch与Ppy之间形成了氢键，而在引入GTA后，出现了1713 cm^?1（残余C=O）和1653、1609 cm^?1（亚胺基Schiff碱）的特征峰，证明了GTA成功介导了Ch-Ppy间的共价交联。加入Coll后，谱图中显示出Amide I、II、III等特征峰，表明复合材料成功整合。

其次，SEM观察了纳米纤维的形态与稳定性。结果显示，随着GTA浓度从25 μM增至100 μM，纤维直径在101 nm至125 nm间变化，但在50 μM时出现了珠结现象。经过GTA蒸气二次交联后，纤维交点处发生融合，增强了机械强度。更重要的是，在37 °C的PBS中浸泡10天后，100 μM GTA处理的样品能最大程度保持纤维结构，而25 μM样品则完全丧失形貌，证明了高浓度交联对维持长期结构完整性的关键作用。

第三，降解与溶胀实验揭示了支架的水解稳定性。质量损失动力学符合一级动力学模型。100 μM GTA样品在第10天仍保留约70%的初始质量，显著优于低浓度组，且降解周期可延长至20-30天。溶胀率方面，50 μM样品表现出极高的吸水能力（约1200倍），而高交联密度（100 μM）则限制了溶胀（低于400%），体现了交联密度对亲水性的调控。

第四，离子电导率测试评估了支架的电化学性能。Nyquist图和Bode相角图显示，支架在Na⁺和Ca²⁺离子环境中表现出伪电容行为。研究发现，随着GTA浓度增加，由于聚合物链段运动受限，伪电容容量逐渐降低，电阻增加。尽管如此，计算得出的离子电导率约为5.0 × 10^?4S/m，处于导电组织支架所需的范围内。值得注意的是，Ca²⁺离子相较于Na⁺表现出更高的电阻和更不稳定的相互作用，表明二价阳离子与膜结构之间存在更强的特异性吸附或运输抑制。

最后，杨氏模量的测定显示，引入Ch-Ppy-GTA体系后，膜的刚度比纯Coll/Ch-GTA对照组提高了十倍，超过了心肌组织所需的0.2至0.5 MPa范围，满足了力学支撑需求。

在讨论与结论部分，研究人员指出，这种双交联策略有效平衡了结构稳定性与电活性之间的矛盾。虽然高GTA浓度提供了优异的形态稳定性，但也不可避免地限制了离子扩散和电荷存储能力。该研究成功证明，通过调控GTA浓度（特别是100 μM的低毒范围），可以制备出兼具长达30天降解周期、适宜力学性能及良好离子传导性的电活性支架。这一成果为心脏补片等需要长期植入且依赖电信号传导的组织工程应用提供了重要的材料设计思路。