上海科技大学凌盛杰/华东医院顾岩团队AFM：无额外化学物质添加的水凝胶增强策略及其腹壁修复应用

腹壁缺损是一种常见但严重的外科疾病，不仅会导致腹腔器官突出、慢性疼痛和功能障碍，严重时甚至可能危及生命。腹壁修补手术是解决这一问题的重要手段，通常通过将修补材料缝合至肌肉，恢复腹壁的完整性。然而，目前临床上使用的聚丙烯（PP）和聚四氟乙烯（ePTFE）补片因无法降解，长期留存在体内可能引发异物反应，导致术后内脏粘连和慢性炎症等并发症，给患者带来巨大困扰。海藻酸钙离子水凝胶材料（CAIHs）为腹壁修复提供了全新希望，它通过海藻酸盐与钙离子的交联形成，具有良好的生物相容性，且在体内降解时不会产生有害物质，能够有效避免炎症反应和免疫排斥。然而，海藻酸钙膜在实际应用中仍然存在机械强度较弱，难以承受应用在腹壁修复时所产生的应力，而导致材料失效的风险，因此如何在不引入其他成分破坏海藻酸钙材料的生物相容性的前提下，提高其力学性能，是本研究所关注的问题。

近日，上海科技大学物质学院凌盛杰教授课题组与华东医院顾岩教授团队合作，开发了一种通过机械训练增强力学性能的海藻酸钙离子水凝胶用于腹壁缺损修复。该材料展现了显著的机械强度提升，同时与生物组织具有良好的适配性，为腹壁修复提供了一种新型解决方案。相关工作以Mechanically Trained Calcium Alginate Ionic Hydrogels for Enhanced Abdominal Wall Defect Repair为题发表在《Advanced Functional Materials》，上海科技大学硕士研究生李子剑及华东医院董文培博士为本工作的共同第一作者。

图1 材料的制备过程

如图1所示通过控制海藻酸钠和氯化钙溶液的浓度，使材料形成致密交联的网络结构，从而提升其韧性和硬度。然而，尽管优化了制备参数，CAIH的抗拉伸强度仍难以完全满足天然腹壁肌肉的需求。为此，研究者团队引入了机械训练的方式，在CaCl₂溶液中对CAIH进行循环拉伸，迫使分子链重排并稳定交联结构。经过300次拉伸训练后，制备得到具有分子链取向的MT-CAIH，显著提升了材料的力学性能，为腹壁修复提供了新的可能性。

图2 机械训练期间CAIH的WAXS和SAXS表征

通过原位广角X射线散射（WAXS）和小角X射线散射（SAXS）技术，研究发现CAIH分子网络在机械训练过程中从随机分布逐步转变为高度有序的取向结构。在拉伸和循环训练中，螯合的“蛋盒”结构充当多功能交联模块，水分子的增塑效应促进分子链沿拉伸方向排列，非晶区的自由体积逐渐减少。经过100次循环，分子取向趋于稳定，材料厚度达到平衡，WAXS 和 SAXS 图谱中的取向强度各向异性逐渐增加（图 2A）；如图2B所示，方位角积分的各向异性强度（方位范围为140°-260° 和280°-400°）在机械训练过程中逐步增强，表明分子取向的随训练逐渐增强。经过300次循环，模量显著提高至初始值的5倍(图 2C)。这一过程展现了CAIH分子网络对机械刺激的不可逆响应，取向的积累最终增强了材料的力学性能。

图3 机械训练诱导的CAIH结构重塑

如图3A所示。研究者团队通过对制备膜具的控制制备出一条尺寸为5 × 10 cm的MT-CAIH条带，可以实现MT-CAIH的规模化制造。在偏振光下，MT-CAIH条带呈现出明显的取向图案（图3B），这归因于机械训练引发的高度取向交联分子网络。与未经训练的CAIH相比，MT-CAIH的微观结构显示出沿训练方向的明显排列，类似于天然纤维的层次结构，如动物丝和胶原蛋白（图3C, D）。此外，研究者团队实现了对材料的双向机械训练，即在两个垂直方向上施加应力，促进了CAIH内部结构在多轴应力下的重构（图3E, F），得到的材料标记为PDMT-CAIH。偏振光图像（图3H）显示材料内部没有明显的取向，表明其结构均匀。进一步通过扫描电子显微镜观察PDMT-CAIH的微观结构（图3I和图3J），展示了致密的横截面和粗糙的表面纹理。

图4 CAIH的力学性能

为了深入探讨所制备材料的力学性能，研究者团队对不同制备状态下的CAIH、MT-CAIH和PDMT-CAIH进行了力学性能分析。如图4A-B所示，MT-CAIH在平行于训练方向的拉伸测试中表现出显著优势，强度和模量分别达到了16.87 MPa和11.52 MPa，分别是PDMT-CAIH和CAIH的2倍和22倍。然而，MT-CAIH在垂直于训练方向的力学性能远逊色于平行方向，表现为应力和模量分别降至1.18 MPa和0.65 MPa，接近未训练的CAIH。由此，MT-CAIH更适用于单向受力的应用场景，例如，0.79g的MT-CAIH条带可以承受超过其1265倍的重物。相比之下，PDMT-CAIH在微观结构上发生了取向排列，但在宏观尺度上呈现无规则分布（图3G-J）。这种各向同性的结构赋予了PDMT-CAIH良好的方向稳定性，使其在腹壁修复等多方向受力的应用中表现出优异的性能，且在应力和模量方面分别较初始CAIH提高了4倍和3倍。因此，PDMT-CAIH成为了后续研究的主要对象。与其他生物质凝胶材料相比，MT-CAIH的断裂能和韧性在平行于训练方向时达到8033 kPa和7600 J/m²，约为现有坚韧水凝胶的5倍（图4D）。此外，MT-CAIH和PDMT-CAIH的杨氏模量、断裂强度和韧性与皮肤、软骨相匹配，远优于大多数合成凝胶，其韧性和杨氏模量分别高出传统水凝胶30倍和200倍。MT-CAIH的优异力学性能还与软组织如皮肤、肌肉和软骨的力学性能高度契合（图4G），进一步证明了其在腹壁缺损修复及术后组织修复中的应用潜力。

图5 腹壁缺损体内修复实验

为了评估PDMT-CAIH在腹壁缺损修复中的效果，研究者团队在大鼠的腹壁上制造一个2 cm×1 cm的缺损伤口，随后分别将PDMT-CAIH、CAIH及PP补片通过IPOM法固定在缺损区域，并对其进行皮肤缝合（图5A）。在术后4周，PDMT-CAIH组的腹壁缺损区域已经被再生的纤维结缔组织填充，且组织内可见新生血管。而CAIH组由于力学支撑不足，在腹压影响下出现了少量膨出，导致再生腹壁组织较为薄弱。在术后8周，PDMT-CAIH组再生的腹壁组织厚度与正常腹壁相近，结构完整；而CAIH组则显示出薄弱的再生组织，并且出现了自修复区域的膨出。通过体内观察发现，CAIH在8周后出现了明显的降解迹象，提示其在体内逐渐被吸收。相比之下，PDMT-CAIH的降解速度较慢，尽管部分区域有降解现象，但其整体结构保持得较为稳定。体外的21天降解实验也印证了这一点，PDMT-CAIH的结构完整性相比CAIH更加持久。这是由于机械训练引起了CAIH内分子链的高度取向和紧密排列，增强了材料的稳定性和抗降解能力。与之相比，PP组材料在实验过程中未出现任何降解现象，表明其降解速率极低。综合来看，PDMT-CAIH在腹壁缺损修复中表现出了更强的组织再生能力和更优异的降解性能，尤其在结构稳定性和抗降解性方面相较于CAIH和PP组具有明显优势，证明了其在临床应用中的潜力。

图6 CAIHs的体内生物相容性研究

免疫组化染色分析显示，CAIHs组的CD68和IL-6表达明显低于PP组，提示CAIHs材料没有引发显著的炎症反应。在术后第4周，PP组修复区域的炎症反应较为明显，表现为较多的巨噬细胞、粒细胞等炎症细胞的浸润（如图6A所示）。相比之下，CAIHs组的炎症细胞浸润较少，表明该材料有助于降低慢性炎症反应。PDMT-CAIH组则表现出最少的巨噬细胞浸润，尤其在支架材料修复和降解区域，提示该组材料可能有更好的抗炎效果（图6B）。到术后第8周，PDMT-CAIH组的IL-6阳性细胞显著减少，炎症反应减弱。通过HE染色进一步观察，CAIHs植入区域在术后有大量细胞浸润，包括巨噬细胞、成纤维细胞和粒细胞等。部分区域还可见新生血管的形成。此外，还观察到异物巨细胞（FBGCs）的形成，它们有助于降解支架材料。整体来看，CAIHs材料在体内表现出良好的细胞浸润能力和适度的降解特性，能够平衡促炎与抗炎反应，避免过度免疫反应，并促进组织修复（图6F）。

总结：该研究通过不依赖化学添加剂的方式增强海藻酸盐基水凝胶的力学性能，成功制备了不同力学特性的增强型的CAIHs。MT-CAIH在机械训练方向上的应力和模量分别为16.87 MPa和11.52 MPa，分别是CAIH的7倍和22倍；而PDMT-CAIH则展现出均匀的应力，是CAIH的3倍。此外，CAIHs具备优异的生物相容性、可降解性和无毒性，适合用于组织修复。尤其是由于其在各方向的均匀力学性能，PDMT-CAIH被应用于腹壁缺损修复。体外实验表明其无细胞毒性，在大鼠模型中的体内实验也证实，PDMT-CAIH相比于PP网片，能够显著促进组织再生、减少纤维化、增强血管生成并减轻炎症反应。此外，机械训练增强了PDMT-CAIH的抗降解性能，确保在愈合过程中材料保持结构稳定，同时在最终降解时避免异物反应。这项研究为通过机械训练技术提升生物材料性能提供了重要理论基础，并为腹壁修复提供了一种更安全且前景广阔的替代方案，对组织工程也具有重要意义。