活性炭增强水凝胶，登上AM！

腹壁缺损修复是临床面临的重要挑战，植入材料的功能重建策略中始终存在一个核心矛盾：如何在维持力学稳定性的同时促进组织整合？传统合成补片虽具备足够强度，却常诱发严重的异物反应且再生能力有限；而当前抗粘连屏障和模拟细胞外基质的水凝胶虽具有良好的生物相容性和水合微环境，但在湿润条件下难以兼顾低溶胀率和力学耐久性。这一问题在腹壁缺损等承重部位尤为关键，力学不足或形变可能导致植入失败、疝气复发等并发症。此外，在可能污染的腹膜环境中，生物材料往往会诱发剧烈炎症和粘连，这凸显了在材料设计中融入免疫调控功能的必要性。

针对这一临床难题，中山大学王毅教授、黄榕康副主任医师和广东省人民医院（广东省医学科学院）Huang Zhike合作团队开发了一种新型超结构多孔双层复合水凝胶（SPVA-AC），通过将医用级活性炭（AC）引入聚乙烯醇（PVA）基质，成功实现了高孔隙率、优异力学强度和免疫调节性能的独特组合。该水凝胶利用AC与PVA之间的强氢键作用、疏水相互作用和机械互锁，使AC不仅充当扩孔剂构建适于成纤维细胞浸润的大孔结构，还作为刚性交联中心增强力学稳定性。同时，AC凭借其发达的纳米孔结构高效清除活性氧和炎症因子，通过促进M2型巨噬细胞极化重塑局部免疫微环境，加速组织愈合。在大鼠腹壁缺损模型中，SPVA-AC水凝胶展现出卓越的力学稳定性、抗炎活性和促组织愈合性能。相关论文以“Activated Carbon-Reinforced Super-Structured Porous Hydrogel With Robust Mechanical and Excellent Pro-Healing Properties for Abdominal Wall Defect Repair”为题，发表在

Advanced Materials

研究团队通过简便的逐层涂覆和冻融循环策略构建了这种超结构水凝胶。扫描电镜图像清晰地展示了SPVA-AC的双层结构，顶层厚度约90微米，底层约300微米。水凝胶具有明显的不对称多孔结构：顶层表面孔径较小（平均0.7微米），可有效防止成纤维细胞粘附和内脏粘连；底层表面则呈现扩大孔结构（平均7.4微米），有利于营养运输和细胞迁移，促进组织整合。X射线衍射光谱显示，AC的引入对PVA的结晶度影响甚微。得益于AC与PVA间的强相互作用，SPVA-AC水凝胶在拥有大孔结构的同时，拉伸强度提升至1.66 MPa（纯PVA水凝胶为1.14 MPa），溶胀率降至1.9%（纯PVA为6.4%），且在PBS中质量损失可忽略不计，确保了在湿润环境中的长期结构完整性。

图1 用于腹壁缺损修复的超结构SPVA-AC水凝胶的设计与制备。（a）腹壁缺损修复的常规修复材料。补片提供相对稳定的力学支持，但常诱发严重的异物反应和慢性炎症，阻碍组织整合并影响愈合过程。（b）具有超结构多孔结构的新型SPVA-AC水凝胶示意图：PVA的小孔表面防止粘连，AC掺入的底层增强力学稳定性、免疫调节和组织整合。（c）通过逐层涂覆和冻融循环制备SPVA-AC水凝胶的过程，展示了具有不同功能层的超结构复合材料的形成。

AC固有的自由基清除、炎症因子吸附和导电特性为组织修复提供了理想条件。研究显示，SPVA-AC水凝胶对DPPH自由基表现出优异的清除能力，共培养48小时后清除率达95%。同时，该水凝胶能有效吸附IL-6等炎症因子，优化组织修复微环境。电导率测试表明，SPVA-AC水凝胶具有优异的导电性能，且导电性随AC含量增加而提高，有利于细胞间电信号传导和组织再生。

图2 （a）SPVA-AC冷冻凝胶的截面SEM图像。（b，c）SPVA-AC冷冻凝胶顶层（b）和底层（c）表面的SEM图像。（d）纯PVA粉末、PVA冷冻凝胶和SPVA-AC冷冻凝胶的XRD光谱。（e-g）PVA、SPVA-AC5、SPVA-AC和SPVA-AC20水凝胶的拉伸应力-应变曲线（e）、溶胀率（f）和质量损失率（g）。（h）PVA、SPVA-AC5、SPVA-AC和SPVA-AC20水凝胶在不同共培养时间后的DPPH清除率。（i）使用四探针法测定的PVA、SPVA-AC5、SPVA-AC和SPVA-AC20水凝胶的电导率。数据以平均值±标准差表示（图2f-i中n = 4个独立样本）。

细胞相容性评估进一步证实了SPVA-AC水凝胶的生物安全性。研究采用活/死细胞染色法观察L929成纤维细胞在不同水凝胶浸提液中培养后的存活情况，结果显示各实验组均呈现密集的绿色荧光，死细胞（红色）极少，表明SPVA-AC水凝胶无细胞毒性。细胞增殖实验定量结果表明，与对照组相比，SPVA-AC组的细胞增殖活性更高，且随AC含量增加呈现增强趋势，说明AC的引入不仅未影响PVA的生物相容性，反而在一定程度上促进了细胞增殖。

图3 L929成纤维细胞与不同水凝胶浸提液共培养1、3和5天后的（a）活/死染色图像和（b）细胞活力。比例尺：250 μm。数据以平均值±标准差表示（n = 4个独立样本；数据采用双因素方差分析；p < 0.05，p < 0.01，p < 0.001）。

大鼠腹壁缺损模型植入实验表明，SPVA-AC水凝胶在10天和30天观察期内均保持良好的结构完整性，无明显形变，与腹壁贴合良好。组织学评估显示，与聚丙烯补片和PCO补片相比，PVA和SPVA-AC组炎症细胞浸润显著减少，其中SPVA-AC组炎症反应进一步降低，证实了AC的炎症调节能力。Masson染色显示，SPVA-AC组胶原纤维排列更致密有序，组织成熟度更高。免疫组化分析进一步证实，SPVA-AC组显著降低IL-6、IL-1β和TNF-α等促炎因子表达，同时增强IL-10抗炎因子表达，并促进CD31和α-SMA相关的血管生成。巨噬细胞极化分析表明，SPVA-AC组显著促进M2型（Arg-1和CD206）巨噬细胞极化，减少M1型（iNOS）巨噬细胞，展现了优异的免疫调控功能。

图4 （a）大鼠模型腹壁缺损及植入PP补片、PCO补片、PVA水凝胶和SPVA-AC水凝胶前后的数码照片。（b）术后第10天不同处理组腹壁缺损处内脏粘连形成的数码照片。（c，d）不同处理组术后第10天的HE染色（c）和Masson染色（d）图像。比例尺：图a、b为1 cm，图c、d为100 μm。

图5 （a）不同处理组IL-6、IL-1β、TNF-α和IL-10的免疫组化染色。（b，c）IL-6（b）和IL-10（c）的定量分析。（d）不同处理组α-SMA和CD31的免疫组化染色。（e）不同处理组血管数量的定量分析。比例尺：图a、d为100 μm。数据以平均值±标准差表示（n = 3个独立样本；数据采用单因素方差分析；p < 0.05，p < 0.01，p < 0.001）。

图6 植入PP补片、PCO补片、PVA水凝胶和SPVA-AC水凝胶后第10天的iNOS/CD68、Arg-1/CD68和CD206的代表性图像。比例尺：50 μm。

这项研究成功开发了一种超结构SPVA-AC水凝胶，通过将AC简便地引入PVA基质，实现了分级多孔结构、力学稳定性、免疫调节和促愈合功能的协同整合。AC作为多功能组分，不仅通过氢键、疏水相互作用和机械互锁增强水凝胶网络，还构建了利于细胞浸润和营养运输的分级孔结构。更重要的是，AC通过高效清除ROS和吸附炎症因子，显著增强水凝胶的抗氧化和抗炎性能，通过促进M2型巨噬细胞极化构建再生微环境，加速组织愈合。SPVA-AC水凝胶在体内表现出长期力学稳定性、最小溶胀和加速组织愈合的优异性能，超越了传统PP和PCO补片及纯PVA水凝胶。值得注意的是，这些多功能特性是通过简便可扩展的制备路线实现的，无需复杂的化学修饰或复合策略。该工作为开发适用于软组织修复和再生医学的高性能生物材料提供了新的概念和实践框架。