西安交大成一龙教授、裴丹丹研究员 AFM：具有重复双羧基结构和高基质强度的水凝胶用于稳定无定形磷酸钙并促进骨再生

2025-02-14 来源：高分子科技

无定形磷酸钙（ACP）作为骨矿化前体，能够快速介导胶原纤维矿化，促进“自下而上”的骨形成过程，在骨缺损治疗领域展现出巨大潜力。然而，ACP会自发快速地转化为热力学稳定的结晶相，限制了其在临床治疗中的应用。尽管带有羧基侧链的大分子已被用于提高ACP的稳定性，但其稳定ACP效果有限，且水凝胶基质强度普遍较低，难以有效支持骨组织再生。此外，羧基的化学环境对ACP稳定性的具体影响仍不明确。

图1、基于不同侧链的仿生水凝胶稳定ACP及其在体内颅骨缺损再生中的应用

近日，西安交通大学成一龙教授和裴丹丹研究员团队受生物体内非胶原蛋白稳定ACP机制的启发，通过自由基聚合四种不同分子结构的阴离子单体（丙烯酸（acrylic acid, AA）、丙烯酰甘氨酸（N-acryloyl glycine, ACG）、丙烯酰天冬氨酸（N-acryloyl aspartic acid, AASP）和丙烯酰谷氨酸（N-acryloyl glutamic acid, AGLU））备了一系列高分子水凝胶，以研究水凝胶支架的化学环境对ACP稳定能力及体内骨缺损愈合效率的影响（图1）。研究人员通过理论模型计算、单体溶液中ACP成核动力学监测、胶原矿化能力分析，探究了单体羧基结构对钙离子螯合强度的影响。进一步结合XRD、SEM、水凝胶力学性能测试、体外钙离子释放实验，评估ACP在水凝胶网络中的稳定性。研究表明，具有重复双羧基结构和高机械强度的聚丙烯酰天冬氨酸（PAASP）水凝胶可通过高钙离子螯合强度以及氢键的形成，有效延缓磷酸钙（CaP）的结晶过程，从而维持ACP的稳定性。体内实验表明，PAASP-CaP水凝胶能够显著提高矿物沉积率和胶原纤维矿化程度，提高大鼠颅骨临界骨缺损模型8周后的骨再生效率。以上研究成果为骨缺损治疗提供了一种具有前景的水凝胶支架，并为基于ACP的骨再生材料设计提供了重要理论依据。

图2、AA、ACG、AASP和AGLU单体对ACP稳定作用的比较

图3、PAA、PACG、PAASP和PAGLU水凝胶对ACP稳定作用的比较

图4、CaP负载水凝胶的体外成骨活性和体内早期促成骨能力比较

图5、大鼠颅骨临界骨缺损的骨再生效果

该工作以"Non-collagenous Protein-inspired Hydrogels with Repeated Dicarboxylic Structure and High Matrix Strength for Amorphous Calcium Phosphate Stabilization to Promote Bone Defect Regeneration"为题发表在期刊《Advanced Functional Materials》上。论文的第一作者为西安交通大学口腔医学院博士研究生张钰晨，通讯作者为西安交通大学附属口腔医院裴丹丹研究员和西安交通大学化学学院成一龙教授。研究工作得到了国家自然科学基金、陕西省科技厅优秀青年科学基金项目、陕西省重点研发计划项目、中央高校基本科研业务费等项目的资助，并得到了西安交通大学分析测试共享中心和陕西省颅颌面精准医学研究重点实验室的大力支持。

原文链接：https://advanced.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.202500075

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（责任编辑：xu）

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