北京大学AFM：新型仿生纳米纤维海绵水凝胶

近年来，水凝胶和海绵作为生物医学领域中两类主要的生物材料，虽各具优势，却也存在明显局限。水凝胶因其分子级水合网络易发生膨胀，机械性能较差；而海绵则缺乏粘弹性，难以模拟人体组织的力学行为。人体组织本身却能在高水合状态下保持不膨胀、抗压缩的特性，同时具备优异的力学适应性和生物活性。目前，尚未有一种材料能同时实现这些性能，这成为组织工程和再生医学领域的一大挑战。

为此，北京大学口腔医学院徐永祥副教授、林红研究员合作，成功开发出一类仿生纳米纤维海绵水凝胶（spongyhydrogels）。该材料通过霍夫曼斯特效应与低温协同诱导组装策略，实现了介于水凝胶与海绵之间的结构尺度与水合状态，兼具不膨胀、高压缩性和粘弹性，显著促进了细胞粘附、增殖与体内伤口愈合，并可负载功能性金属离子，拓展了其在生物医学领域的应用前景。相关论文以“Bioinspired Nanofibrous Spongyhydrogels via the Hofmeister Effect and Thermally Co-Induced Assembly”为题，发表在

Advanced Functional Materials

研究团队首先通过将壳聚糖溶解于乙酸溶液，并滴加氯化钠溶液，在-20℃下快速组装形成纳米纤维网络结构（CHNF）。该过程在10分钟内即可完成，效率远高于传统的冷冻干燥或自组装方法。随着NaCl浓度的增加，材料的纳米纤维结构逐渐致密，从具有大孔的分级结构（3% NaCl）过渡为均匀的纳米纤维网络（4%和5% NaCl），显示出霍夫曼斯特效应在调控聚合物聚集过程中的关键作用。

图1. 海绵水凝胶桥接水凝胶与海绵的概念示意图，具有中间结构尺度与水合状态。结构尺度：海绵 > 海绵水凝胶 > 水凝胶；水合状态：水凝胶 > 海绵水凝胶 > 海绵。

图2. 通过霍夫曼斯特效应与热协同诱导组装制备纳米纤维海绵水凝胶的过程。（A）制备流程示意图；（B）5% NaCl壳聚糖溶液在低温处理前；（C）经-20°C处理并恢复至25°C后形成的CHNF；（D–F）不同NaCl浓度（3%、4%、5%）下CHNF的SEM图像及对应的海绵水凝胶照片。

通过流变学、FT-IR和XRD等测试，研究人员发现随着NaCl浓度提高，壳聚糖分子间氢键增强，网络结构更加紧密，材料的结晶度也相应提高。低温（-20°C）可显著加速组装过程，而在较高温度下（如8°C）则无法形成水凝胶，说明该过程高度依赖温度与盐浓度的协同作用。

图3. 不同NaCl浓度下溶液与CHNF的性质。（A）粘度曲线；（B）频率扫描测试；（C）FT-IR光谱；（D）XRD图谱；（E）CHNF与海绵水凝胶的照片；（F）LF-NMR测定的水合状态。

随后，通过柠檬酸盐离子交联，CHNF转化为最终的海绵水凝胶。交联后材料透明度下降，体积发生不同程度收缩，其水合状态经LF-NMR分析表明，其中90%以上为“中间水”，这与传统水凝胶（以结合水为主）和海绵（以自由水为主）形成鲜明对比，实现了真正意义上的“中间水合状态”。

图4. 温度与NaCl对组装过程的影响。（A）DSC曲线；（B–E）5% NaCl溶液在不同温度下的动态流变行为；（F）相图；（G）DLVO理论示意图。

在力学性能方面，海绵水凝胶表现出类似人体组织的应变率强化效应和显著的粘弹性行为。其弹性模量随压缩速率增加而上升，循环加载-卸载曲线中出现明显的滞回环，应力松弛过程主要由孔弹性机制主导。材料在水中浸泡一个月仍保持尺寸稳定，具备优异的抗膨胀性和可压缩回复性。

图5. 海绵水凝胶的力学性能。（A）不同压缩速率下的弹性模量；（B–E）海绵与不同海绵水凝胶的应力-应变曲线；（F–I）加载-卸载曲线；（J）应力松弛曲线；（K）水中浸泡一个月后的形态；（L）压缩-再水化循环后的高度保持率。

体外降解实验显示，海绵水凝胶比传统海绵降解更快，因其具有更大的比表面积，更易于与溶菌酶接触。生物学实验进一步表明，该材料能显著促进L929细胞增殖与粘附，RNA测序分析揭示其上调了多种与细胞粘附相关的基因（如Itgav、Icam1等），表现出良好的生物活性。

图6. 体外降解行为：（A–D）海绵与不同海绵水凝胶在不同时间点的形态变化。

图7. 体外细胞增殖与粘附：（A）CCK-8检测；（B）细胞粘附荧光图像；（C）差异表达基因火山图；（D）GO富集分析；（E）GSEA分析；（F）细胞粘附相关基因热图。

在大鼠全层皮肤缺损模型中，海绵水凝胶组表现出最快的伤口愈合速率、最成熟的胶原纤维排列、最高的I型胶原含量及I/III型胶原比，同时炎症反应最低，α-SMA表达减少，表明其具有促进再生、减少瘢痕形成的潜力。

图8. 大鼠伤口愈合实验：（A）伤口照片；（B）愈合率统计；（C–D）H&E与Masson染色；（E）天狼星红染染色；（F）胶原定量分析。

此外，该组装策略具有良好的通用性，可通过引入不同金属阳离子的氯化物盐，进一步拓展其在止血、抗菌和组织修复等方面的功能应用。

图9. 免疫组化染色（第14天）：（A–B）炎症因子IL-6与TNF-α；（C–D）抗炎因子IL-10与TGF-β；（E）α-SMA表达。

综上所述，该类仿生纳米纤维海绵水凝胶通过精巧的结构设计与可控制备，成功融合了水凝胶与海绵的优势，在组织工程、药物递送和生物电子接口等领域展现出广阔的应用前景。

来源：高分子科学前沿

声明：仅代表作者个人观点，作者水平有限，如有不科学之处，请在下方留言指正！