《Journal of Materials Chemistry B》：Rapidly mineralizing injectable dense collagen gels simultaneously fibrillized and functionalized through bioactive sol–gel borate-glass hybridizationOpen Access
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未经功能化的重组胶原水凝胶在体外和体内的矿化能力较差。由于其高反应活性，生物活性溶胶-凝胶衍生硼酸盐玻璃（sol–gel-derived borate-glasses, SGBGs）在体外能迅速转化为碳羟基磷灰石（carbonated hydroxyapati
未经功能化的重组胶原水凝胶在体外和体内的矿化能力较差。由于其高反应活性，生物活性溶胶-凝胶衍生硼酸盐玻璃（sol–gel-derived borate-glasses, SGBGs）在体外能迅速转化为碳羟基磷灰石（carbonated hydroxyapatite, CHA）。这种矿化作用与SGBG溶解时pH值的升高有关，这一特性可以同时使可注射胶原水凝胶发生原纤化和功能化。在本研究中，研究人员采用一种简便的制备工艺，在快速溶解的SGBG存在下，使酸溶性胶原分子自组装，生成高度水合的胶原凝胶。这些前体纤维凝胶通过凝胶抽吸-挤出（gel aspiration-ejection, GAE）技术进行压缩，以制造可注射的SGBG功能化致密胶原凝胶。所得模拟骨细胞外基质的凝胶在模拟体液（simulated body fluid, SBF）中2小时内即表现出纤维内矿化，到第7天，CHA的形成接近天然骨水平。反过来，矿化的逐步增加导致基质刚度显著提升。当将无细胞的SGBG-致密胶原凝胶直接注射到大鼠胫骨单皮质临界尺寸缺损中并监测两周时，这种体外快速矿化速率在体内也得到了体现。显微CT分析显示，与纯致密胶原凝胶相比，功能化凝胶中的骨体积分数显著更高。研究人员对回收的组织切片进行了互补性的von Kossa、甲苯胺蓝和碱性磷酸酶组织化学染色，以探究新生骨形成的早期潜力。与纯凝胶相比，SGBG-致密胶原凝胶的组织学显示出更高水平的阳性矿化染色，伴随宿主细胞浸润和成骨细胞活性的增强。总之，即时功能化和快速矿化能力使这些SGBG-致密胶原凝胶在骨组织修复和工程应用中展现出前景。
论文解读文章
研究背景与目的
骨组织的细胞外基质（extracellular matrix, ECM）主要由I型胶原构成，并通过与纳米级碳羟基磷灰石（carbonated hydroxyapatite, CHA）晶体结合形成层级结构的生物复合材料。基于I型胶原的水凝胶因其生物相容性和低免疫原性，常被用于修复临界尺寸骨缺损。然而，重组胶原水凝胶通常缺乏结构和力学完整性，且未经功能化时矿化能力很差，这限制了其作为骨支架材料的应用。传统的致密化策略如凝胶抽吸-挤出（gel aspiration-ejection, GAE）虽能提高胶原密度和生理相关性，但仍需解决矿化问题。硅酸盐基生物活性玻璃如Bioglass? 45S5被视为矿化组织修复的“金标准”，但其向CHA的转化缓慢且不完全。相比之下，生物活性硼酸盐玻璃因化学耐久性更低、能完全转化为CHA而受到关注。特别是通过溶胶-凝胶（sol–gel）法制备的硼取代45S5配方B46-SGBG，其在SBF中2小时内即可转化为CHA，转化率比熔融淬火法产物快25倍。鉴于SGBG溶解会提高局部pH值，研究人员假设可利用此特性同时实现致密胶原水凝胶的原纤化和功能化，从而加速矿化，最终促进体内更快速的骨愈合。因此，本研究旨在利用一种快速、简便的工艺，通过将易溶解的B46-SGBG颗粒与胶原杂化，同时实现可注射致密胶原凝胶的原纤化和功能化，并评估其在体外和体内的矿化潜力。
研究方法概述
本研究采用了一种创新的“一锅法”策略。首先，将不同浓度的B46-SGBG颗粒（粒径<25 μm）与酸性胶原溶液混合。SGBG颗粒的快速溶解导致溶液pH值升高（至7.4或8），从而直接诱导胶原分子原纤化和凝胶化，无需额外添加NaOH。随后，利用GAE技术对这些前体水凝胶进行压缩，通过负压抽吸排出多余液体并物理重塑纤维结构，最终获得可注射的致密胶原凝胶。研究选定了两种配方的杂化凝胶（Hybrid-7.4和Hybrid-8）以及相应的NaOH中和的纯胶原凝胶（Neat-7.4和Neat-8）作为对照。实验通过实时浊度和剪切储能模量（G′）监测凝胶动力学，并利用衰减全反射红外光谱（ATR-FTIR）、X射线衍射（XRD）、扫描电子显微镜/能量色散X射线光谱（SEM/EDS）等手段表征了凝胶的结构、形态和体外矿化过程。离子释放通过电感耦合等离子体发射光谱仪（ICP-OES）定量，矿化对力学性能的影响则通过微压缩测试评估。体内实验在Sprague–Dawley雌性大鼠的单皮质胫骨临界尺寸缺损模型中，直接注射无细胞的Hybrid-7.4和Neat-7.4凝胶，并在1周和2周后通过显微CT（μCT）和组织学染色（von Kossa、甲苯胺蓝、碱性磷酸酶）评估矿化和骨再生效果。
研究结果
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Fabrication and characterization of B46-SGBG/dense collagen hybrid gels: 研究发现，随着B46-SGBG含量的增加，胶原溶液的pH值上升至约8后趋于稳定。浊度和流变学测量证实，SGBG的加入成功诱导了胶原凝胶的形成，尽管其凝胶化启动时间略晚于NaOH中和的对照组。ATR-FTIR和SEM表征确认了SGBG颗粒成功整合入胶原纤维网络中，且在Hybrid-8凝胶中残留的玻璃颗粒更多。
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In vitro mineralization in SBF: 在SBF中浸泡后，ATR-FTIR和XRD分析显示，Neat-7.4凝胶在整个14天内未检测到矿化。相反，Hybrid-7.4和Hybrid-8凝胶在浸泡2小时内即开始出现PO43?和CO32?的特征峰，表明CHA开始形成，且随时间推移，这些峰的强度和清晰度增加，矿化程度加深。SEM图像也观察到了从非晶态玻璃颗粒向球状CHA形态的转变。ICP-OES数据显示，硼离子释放后达到平台期，而磷离子浓度下降，证实了磷酸根离子被消耗用于矿化。重量分析结果表明，杂化凝胶在第7天时的无机物/有机物比例已达到约70 wt%，接近天然骨和牙本质的水平。
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Impact on matrix stiffness: 微压缩测试结果显示，Neat-7.4凝胶的压缩模量在14天内无显著变化。而Hybrid-7.4凝胶的压缩模量在SBF中浸泡7天和14天后分别显著增加了约48%和137%，表明矿化过程显著增强了凝胶的力学性能。
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In vivo mineralization: 在大鼠胫骨缺损模型中，μCT分析显示，虽然第1周两组间骨体积分数（BV/TV%）差异不显著，但Hybrid-7.4组数值更高。到第2周，Hybrid-7.4组的骨体积分数显著高于Neat-7.4组。组织学分析进一步证实了这一结果：von Kossa染色显示，Hybrid-7.4凝胶在1周和2周时的矿化区域均显著多于对照组。甲苯胺蓝染色显示，两组凝胶内均有宿主细胞浸润，且随时间增加，但组间无显著差异。碱性磷酸酶（alkaline phosphatase, ALP）染色表明，两种凝胶界面处均出现了成骨细胞活性，并在第2周增强，Hybrid-7.4组表现出更强的ALP活性趋势。
讨论与结论
本研究的创新点在于利用高反应活性的SGBG颗粒，在无需传统碱中和的情况下，一步法实现了胶原凝胶的同时原纤化和功能化。这种方法避免了硅酸盐玻璃颗粒可能发生的团聚问题，并通过部分溶解的SGBG颗粒及其释放的钙、磷离子，为后续CHA的成核和生长提供了理想的微环境。体内实验的快速矿化结果与体外数据相呼应，证明了该策略的有效性。尽管宿主细胞浸润和ALP活性在两组间无统计学差异，但Hybrid-7.4凝胶显著更高的矿化水平和骨体积分数，凸显了其作为无细胞骨修复材料的巨大潜力。研究指出，与需要预矿化的复杂支架相比，这种可注射系统能在原位快速矿化，有望成为一种经济有效的替代方案，减少对自体骨移植的依赖。此外，结合自动化的GAE生物制造/3D打印技术，这种可快速矿化的凝胶生物墨水未来可用于构建具有定制微观结构的组织模拟结构，服务于体外组织建模和个性化再生医学。
研究结论：
本研究开发了一种简便的制备工艺，通过将溶胶-凝胶衍生的硼酸盐玻璃B46掺入胶原溶液中，实现了胶原的同时原纤化和功能化。由此产生的高度水合前体胶原水凝胶通过GAE压缩，制造出模拟骨ECM的凝胶。杂化凝胶在体外SBF中2小时内观察到矿化，到第7天，CHA含量增至约70 wt%，导致凝胶压缩模量增加48%。将凝胶直接注射到大鼠胫骨临界尺寸缺损中，杂化凝胶在植入2周内显示出更多的骨体积。组织学分析还显示，随着时间的推移，凝胶表现出增强的宿主细胞浸润和成骨细胞活性。这种生产可注射SGBG功能化致密胶原凝胶的新工艺，为生物制造具有可调微观结构和特性的快速矿化组织模拟结构提供了一种有前景的方法，有望改善骨愈合过程。
