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天然承重组织通过顺序自组装获得力学性能，其中胶原纤维首先致密化，随后通过酶促共价交联得以稳定。在合成水凝胶中复制这一设计，同时限制溶胀并保持韧性和黏弹性，仍是一项挑战。在此，研究人员报道了一种基于明胶的杂化水凝胶，其中单宁酸介导的凝聚作用形成紧凑的酸性微环境，
天然承重组织通过顺序自组装获得力学性能，其中胶原纤维首先致密化，随后通过酶促共价交联得以稳定。在合成水凝胶中复制这一设计，同时限制溶胀并保持韧性和黏弹性，仍是一项挑战。在此，研究人员报道了一种基于明胶的杂化水凝胶，其中单宁酸介导的凝聚作用形成紧凑的酸性微环境，触发原位共价交联。单宁酸诱导快速相分离，将局部pH降低至约2.7，并促进质子催化的预负载双噁唑啉交联剂开环，导致致密化明胶网络通过二酯键实现共价稳定。这一策略将物理致密化与共价稳定化解耦，避免了超分子单宁酸-明胶网络的亚稳性。优化配方相对于酸溶胀对照显示出约60倍的储能模量（G′约54 kPa）增加，并兼具高延展性（断裂伸长率约900%）、拉伸强度（约2.0 MPa）和韧性（5.46 MJ m?3）。该材料还保持了循环耗散能力（首个循环为4.21 MJ m?3）以及在水中的长期结构稳定性。体外实验表明，该水凝胶在3天内支持人真皮成纤维细胞的黏附、铺展和增殖。综上，这些结果表明，单宁酸介导的致密化与酸触发共价交联相结合，为制备强韧、可延展且具有耗散性能的明胶水凝胶提供了一条有效途径。
明胶基水凝胶的力学增强与稳定化策略——单宁酸介导凝聚耦合酸触发共价交联研究解读
一、研究背景与现存问题
天然承重组织（如软骨、肌腱、韧带和皮肤）展现出非凡的力学性能，兼具高刚度、极高韧性和显著延展性。这些性能源于富含胶原的细胞外基质的层级组装过程：分泌的原胶原分子自组装成原纤维，随后通过细胞产生的力和渗透效应进行组织与致密化，最终通过酶促交联（如赖氨酰氧化酶）实现长期稳定。交联与原纤维滑动等变形机制协同作用，而水合作用调节分子间相互作用和分子流动性，共同塑造组织的非线性力学响应。
历史上，人类已通过模仿这一过程获得坚韧材料，例如利用单宁酸等植物源多酚鞣制富含胶原的兽皮制备皮革。多酚与胶原形成多点氢键和疏水相互作用，通过自组装获得更坚韧的材料。然而此类体系的宏观几何形状主要局限于动物皮的平面解剖形态，限制了后续加工为复杂三维几何形状的能力，难以满足肌腱、韧带或软骨植入物等力学要求严苛的生物医学支架需求。
明胶作为胶原的热变性衍生物，提供了可溶液加工的生物材料平台。明胶保留天然细胞结合基序，可酶促降解，并在冷却时部分复性为三股螺旋，形成物理交联网络。然而明胶水凝胶力学性能较弱，储能模量通常在低kPa范围，断裂功约为1–100 kJ m
?3，很大程度上限制了其在承重领域的应用。近年韧性水凝胶领域虽已通过极端延展性和牺牲键耗散实现约1–10 MJ m
?3的能量密度，但这些体系主要基于不可降解的合成聚合物网络，不适合体内组织再生与修复。如何在可生物降解的蛋白质基体系中弥合这一力学性能差距，仍悬而未决。
二、研究手段概述
研究人员以10 wt.%猪皮A型明胶（300 Bloom）为原料制备物理水凝胶（Gel-PHy），将其浸入单宁酸溶液诱导超分子致密化。在明胶溶液中预嵌入2,2′-双(2-噁唑啉)（bis-oxazoline）交联剂，利用单宁酸诱导的局部酸化（pH约2.7）触发质子催化的噁唑啉开环反应，与明胶链上的羧基形成二酯共价交联。通过调控双噁唑啉与羧基的摩尔比（0.5–2.0 eq）、处理温度和时间优化配方。主要表征手段包括流变学测试、衰减全反射傅里叶变换红外光谱（ATR-FTIR）、拉伸力学测试、循环加载测试、溶胀体积跟踪以及人真皮成纤维细胞（HDFs）体外培养评估。
三、研究结果
3.1 单宁酸驱动凝聚快速致密化明胶并随时间强化网络
将Gel-PHy浸入5–40 wt.%单宁酸溶液后，网络经历快速超分子致密化，24 h内体积收缩至初始体积的约22%。5天后，G′从5 wt.%时的18.9 kPa增至40 wt.%时的32.9 kPa，tan δ从0.274升至0.438，表明致密化网络刚度与耗散特性同步增强。然而纯物理Tan-GelPHy在水中转移后第5天体积膨胀至初始体积的约150%，G′降至5.23 kPa，证实超分子网络的内在亚稳性。
3.2 酸触发双噁唑啉化学实现致密化明胶原位交联
双噁唑啉在酸性条件下通过质子促进开环机理与羧酸基团反应。单宁酸处理的凝胶内部pH约2.7，足以支持该反应。ATR-FTIR分析显示，与酸介导水解对照相比，Oxo-GelPHy在1735 cm
?1和1242 cm
?1处出现酯相关正差异峰，在1718 cm
?1和1082 cm
?1处出现羧酸相关负差异峰，证实酯键形成。60°C孵育48 h后，含共价交联的Oxo-GelPHy和TanOxo-Gel保持宏观完整，而物理凝胶解体。
3.3 共价交联条件优化获得结构稳定材料
在0.5–2.0 eq双噁唑啉筛选范围内，1.50 eq配方表现出最优体积稳定性：TanOxo-Gel在单宁酸处理后最大致密化达?77.8%，21天水浸后相对体积变化仅?31.0%，且浸泡介质中无可视棕色物质渗出。低交联剂配方（0.50、0.75 eq）的Oxo-GelPHy在21天内失去宏观完整性。
3.4 流变学鉴定最优中间双噁唑啉负载量
1.5 eq配方TanOxo-Gel初期G′达55.7 kPa，浸水5天后保留45.6 kPa，显著高于Oxo-GelPHy对照（7.1 kPa）。TanOxo-Gel在低应变区G′约60 kPa（Day 0）和42 kPa（Day 5），G″为24–27 kPa，tan δ为0.22–0.45；Oxo-GelPHy的tan δ仅0.02–0.03，表明单宁酸致密化网络在共价稳定后仍保留显著黏弹性耗散组分。
3.5 双超分子-共价网络实现优异拉伸强度、延展性与韧性
优化TanOxo-Gel（1.5 eq）呈现典型J型应力-应变曲线：低应变区表现为黏弹性耗散，高应变区出现显著应变硬化。其极限拉伸强度达1.97 MPa，最大应力处应变896%，韧性5.46 MJ m
?3；Oxo-GelPHy对照组在150%应变前失效，强度低于0.5 MPa，韧性低于0.3 MJ m
?3。变形过程中TanOxo-Gel标距区出现局部泛白现象，对应变诱导的结构异质性和能量耗散。
3.6 可逆单宁酸-明胶相互作用赋予高滞后和持续循环耗散
在各自极限断裂伸长率的75%峰值应变下，TanOxo-Gel首循环峰值应力1.64 MPa，耗散能密度4.21 MJ m
?3，Cycle 2–5平均耗散1.18 MJ m
?3，五循环累计耗散10.11 MJ m
?3；Oxo-GelPHy相应值仅0.219、0.043和0.436 MJ m
?3。TanOxo-Gel表现出明显的Mullins-like软化，首循环后应力-应变响应趋于可重复，共价网络在重复变形中维持整体连通性。
3.7 致密共价稳定基质保持细胞相容性
人真皮成纤维细胞在TanOxo-Gel（1.5 eq）上培养1天后呈球形附着，3天后形成致密、延伸的成纤维细胞形态网络，细胞覆盖面积显著增加，存活率维持在细胞相容范围内。相对代谢活性从Day 1到Day 3显著升高（Oxo-GelPHy对照无显著变化），表明单宁酸被隔离在致密共价稳定网络内，限制游离多酚释放，早期细胞相容性未受影响。
四、结论与意义
本研究建立了仿生策略，通过将单宁酸介导的致密化与双噁唑啉介导的共价稳定相耦合，解决了超分子明胶水凝胶的内在亚稳性问题。利用致密化过程中产生的酸性微环境（pH约2.7）作为内部触发器，预嵌入双噁唑啉的酸促进开环使致密明胶富集相内形成共价网络。持久共价框架与动态耗散超分子相的结合，产生了具有MPa级拉伸强度、约900%极端延展性和显著滞后能量耗散的水凝胶。共价稳定抑制了溶胀引起的结构损失，提供长期水中尺寸稳定性和早期细胞相容性。该策略为弥合传统明胶水凝胶与天然承重组织之间的力学差距提供了稳健途径，有望推动水稳定性蛋白质基生物材料在组织工程和再生医学中的应用。
