丝素蛋白增强磁性胶体水凝胶的氢键界面工程用于肝细胞癌栓塞及磁热治疗

《Biomaterials》：Hydrogen-bond interfacial engineering of silk fibroin-strengthened magnetic colloidal hydrogel for embolization and magnetothermal therapy of hepatocellular carcinoma

　　

摘要

可注射水凝胶能够适应血管形状并有效阻断血流，因而在肝细胞癌（HCC）的经导管动脉栓塞术（TAE）中具有广泛应用。然而，易于注射性和高机械强度的平衡是一个难题，因为优化其中一项属性会损害另一项属性。胶体水凝胶通过自下而上的组装实现可注射性，但由于界面设计不足，其机械性能有限。在此，我们将氢键界面强化策略引入静电交联的胶体网络中，开发出一种可注射且具有机械稳定性的磁性胶体水凝胶。该水凝胶由带负电荷、富含氢键的丝素蛋白氧化铁纳米粒子（SF@Fe₃O₄ NPs）和带正电荷的明胶纳米粒子组装而成。该SF@Fe₃O₄磁性胶体水凝胶（SF-MCH）可以通过医学微导管注射，注射力约为10 N，仅为手动极限的15%。SF-MCH的储能模量（约900 Pa）是PAA@Fe₃O₄和Na₃Cit@Fe₃O₄磁性胶体水凝胶的三倍，满足栓塞所需的机械性能要求（>800 Pa），这得益于变温傅里叶变换红外光谱所证实的胶体界面氢键相互作用。与含有SF@Fe₃O₄ NPs的明胶整体水凝胶（SF-MBH）相比，SF-MCH展现出更优的自修复效率（94%）和形状保真度。此外，SF-MCH可承受高达36 kPa的压力，远高于16 kPa的生理血管压力。进一步而言，SF-MCH介导的栓塞与磁热疗联合使用显著抑制了兔耳肿瘤，而SF-MCH在兔体内实现了持续性肾动脉栓塞。这种氢键界面强化策略为设计具有稳健力学性能和定制化功能性的胶体水凝胶提供了一条可行途径。

引言

水凝胶因其稳定的机械性能，能够实现有效的血管阻断[1]，[2]，[3]，[4]，[5]，[6]，已被广泛认可为肝细胞癌（HCC）经导管动脉栓塞术（TAE）中的栓塞剂。相比之下，碘化油或微球常面临长期栓塞效果有限或存在非靶向栓塞风险等挑战[7]，[8]。为使水凝胶作为栓塞剂有效发挥作用，其必须能够通过医学导管轻松注射入目标血管，并具备足够的抗血压能力。这些要求对应的手动注射力需低于64 N，储能模量需超过800 Pa[7]，[9]，[10]。因此，在注射性和机械稳定性之间取得平衡仍然是水凝胶作为栓塞剂设计中的主要挑战。与注射性有限的传统聚合物水凝胶相比，胶体水凝胶是一类由胶体粒子以自下而上的方式组装而成的水凝胶，赋予其粘弹性、剪切变稀特性、可注射性和可调机械性能等特点[11]，[12]，[13]，[14]，[15]，[16]。然而，大多数由粒子表面静电相互作用形成的胶体水凝胶机械强度较弱[17]，[18]。通过不可逆共价键增加交联度是提高机械性能的常见方法[19]，但这往往会降低注射性并可能引发安全问题[20]，[21]。因此，仍然迫切需要胶体水凝胶的合理界面设计，以同时增强机械性能并保持可行的注射性。

丝素蛋白（SF）是一种前景广阔且多用途的生物材料，因其优异的生物相容性、灵活的机械性能和多样的生物活性而被广泛应用于生物医学研究[22]，[23]，[24]，[25]。此外，许多丝蛋白衍生的器件已获得FDA认可，并有约40项临床试验和4款产品实现商业化，这意味着丝蛋白衍生器件具有巨大的临床应用潜力[23]。丝素蛋白在超声、涡旋、高温、低pH值和电流等条件下，会发生从随机卷曲和α-螺旋向稳定β-折叠的构象转变，其中含有大量氢键[22]，[26]。这些层叠的β-折叠结构最终结晶，以物理交联剂的形式为SF分子提供稳定性[27]，[28]，[29]。此外，丝素蛋白的结构特征和功能基团作为通用的生物模板，通过生物矿化过程引导和调控了多种无机纳米材料的合成，如贵金属、碳酸钙和金属氧化物纳米粒子[30]，[31]。在矿化过程中，SF分子中的随机结构转变为β-折叠结构，从而在无机纳米粒子表面富集大量氢键[32]，[33]。合理推测，丝素蛋白介导的合成方法是一种高度有前景的颗粒材料表面氢键工程策略，可显著增强其在各个领域中的通用性和适用性。

在此，我们报告了一种界面强化策略，即将富含氢键的丝素蛋白氧化铁纳米粒子（SF@Fe₃O₄ NPs）引入静电交联网络中，开发出一种可注射且具有机械稳定性的磁性胶体水凝胶（图1a）。通过一步溶剂热法，利用富含氢键的丝素蛋白作为生物模板，制备出尺寸均匀的带负电荷的SF@Fe₃O₄ NPs构建单元。随后，SF@Fe₃O₄ NPs与带正电荷的明胶纳米粒子进一步组装，形成可注射的SF@Fe₃O₄磁性胶体水凝胶（SF-MCH）。得益于粒子间的非共价相互作用（静电力和氢键）的交联方式，该水凝胶展现出卓越的剪切变稀和自修复性能，使其能够满足临床应用中的注射力要求。此外，与PAA@Fe₃O₄或Na₃Cit@Fe₃O₄磁性胶体水凝胶相比，SF-MCH的机械性能显著提高了约200%，实现了力学性能与注射性能的平衡（图1a）。如图1b所示，将SF-MCH通过临床导管注入目标血管后，其成功栓塞了HCC的供血动脉并保持了机械稳定性。此外，在交变磁场（AMF）作用下，SF-MCH介导的磁热效应显著增强了栓塞疗法的有效性，导致明显的肿瘤消退。

章节摘要

材料

FeCl₃·6H₂O、Na₂CO₃、CH₃COONa、乙二醇、二乙二醇、柠檬酸钠、三水合醋酸钠和丙酮购自国药集团化学试剂有限公司。明胶A（猪皮来源，300 Bloom）、聚丙烯酸和LiBr购自Sigma-Aldrich公司。蚕丝茧购自当地零售商（中国山东省）。

表征

SEM图像使用扫描电子显微镜（Zeiss Supra 40，德国）获取。TEM图像使用透射电子

富含氢键的SF@Fe₃O₄ NPs的制备与表征

丝素蛋白氧化铁纳米粒子（SF@Fe₃O₄ NPs）采用以丝素蛋白为生物模板的生物仿生矿化方法合成[31]。最初，加入Fe³⁺后丝素蛋白的Zeta电位发生了变化，表明它们通过静电相互作用结合（图S1）。随后，初级纳米晶体在过饱和溶液中被诱导成核，控制进一步的生长，最终得到SF@Fe₃O₄ NPs（图2a）[30]。

结论

综上所述，基于氢键界面工程，我们将富含氢键的SF@Fe₃O₄ NPs引入CH的静电交联网络中，显著增强了SF-MCH的机械性能。其储能模量约为PAA@Fe₃O₄和Na₃Cit@Fe₃O₄磁性胶体水凝胶的三倍，同时仍保持适当的注射性，允许通过4F微导管进行手动注射。与明胶整体水凝胶相比

CRediT作者贡献声明

刘星宇：撰写——初稿，方法论，调查研究，形式分析，数据管理。陈冰：撰写——初稿，可视化，方法论，调查研究，形式分析，数据管理。卢阳：撰写——审阅与编辑，撰写——初稿，可视化，监督，资源，项目管理。许云军：撰写——审阅与编辑，资源，项目管理，调查研究。周涛：方法论，调查研究。董亮：资源，

数据可用性

支持本研究的数据可在本文及其补充数据文件中获取，或可根据要求向通讯作者索取。

利益冲突声明

作者声明，他们没有已知的竞争性经济利益或个人关系，这些利益或关系可能对本论文所述的工作产生影响。

利益冲突声明

? 作者声明，他们没有已知的竞争性经济利益或个人关系，这些利益或关系可能对本论文所述的工作产生影响。

致谢

本工作得到基础与交叉学科突破计划（教育部，项目编号：JYB2025XDXM109）的资助，以及安徽省自然科学基金（编号：2408085JX003，JZ2024AKKG0644，2008085J06）、国家自然科学基金（编号：22475192，22122502，22105195，52302347）的资助。本论文的部分分析工作在合肥工业大学仪器分析中心完成。

陈冰|刘星宇|胡金隆|宋永红|侯晓丽|严旭|董亮|周涛|许云军|卢阳

合肥工业大学化学与化工学院，安徽省价值附加催化转化与反应工程重点实验室，中国安徽省合肥市，230009