复合水凝胶可以结合天然聚合物和生物活性玻璃作为骨再生的有前途的材料。然而，这种结构的应用受到有机相和无机相之间相容性差的限制。在现在发表在《科学进展》上的一项新研究中丁欣欣和中国上海的一个医学研究团队形成了一种具有改进界面相容性的静电增强水凝胶(简称CAG)。为了实现这一点，他们将氨基功能化的生物活性玻璃引入海藻酸盐/结冷胶基质中。与生物活性玻璃相比，静电增强水凝胶具有更均匀的多孔结构，孔径为200µm，最佳抗压强度为66kPa。使用增强型水凝胶，该团队促进了巨噬细胞的表型转变并上调干细胞的成骨基因表达。他们展示了如何通过增强静电增强水凝胶的生物矿化作用在体内加速新骨形成，其生物相容性非常适合骨再生。

临床骨再生

在这项研究中，丁等人。通过在不同相之间建立界面键来开发混合水凝胶。骨缺损通常发生在患有严重外伤、骨炎和其他修复成本越来越高的骨畸形的患者身上。有效的骨修复方法仍然是临床医生面临的挑战，因此材料科学的进步导致了新生物材料的开发，以增强骨再生的方法。研究人员开发了具有出色生物相容性和生物降解性的天然生物聚合物水凝胶。在各种天然聚合物中，海藻酸盐和结冷胶表现出临床应用的潜力，因为它们在经济上可行且易于使用钙离子胶凝。结冷胶制成的水凝胶还可以诱导令人满意的成骨，其多孔结构与天然骨组织相似，用于细胞附着和成骨分化。尽管存在现有方法，但纯水凝胶的机械性能不足以在体内修复骨缺损。由于在不同相之间合成具有共价界面键的混合物很复杂，因此非共价交联是临床应用中更实用的方法。

该团队开发了一种由阳离子氨基改性生物活性玻璃(NBG)和阴离子结冷胶(AG)制成的静电增强水凝胶。他们通过形成静电相互作用提高了界面相容性介于有机相和无机相之间。为了改善水凝胶的凝胶网络，Ding等人。使用钙离子进行离子交联。作为对照，Ding等人。通过混合非功能化生物活性玻璃(BG)和结冷胶(AG)，开发了一种生物活性玻璃(BAG)。研究人员旨在创建具有增强剪切稀化和自修复能力的水凝胶自组装凝胶网络。他们旨在通过组成复合材料之间的静电相互作用形成水凝胶，表征水凝胶的物理化学性质并研究不同水凝胶的骨再生能力。该团队通过物理混合组分制备了NBG(氨基改性生物活性玻璃)和CAG(静电增强水凝胶)，然后进行X射线光电子能谱分析和Zeta电位测试以研究水凝胶中的静电相互作用并鉴定NBG上的接枝氨基。

使用SEM分析的不同水凝胶的横截面图像。(A到C)AG、BAG和CAG的SEM图像。(D到F)AG、BAG和CAG的放大图像。(E)和(F)中的白色箭头表示水凝胶表面上的BG和NBG颗粒。图片来源：科学进展，10.1126/sciadv.abj7857

分析水凝胶的结构

然后，该团队使用具有代表性的傅里叶变换红外(FTIR)光谱分析了这三种材料。使用X射线衍射仪，他们了解并检测到水凝胶中的潜在结晶相。丁等人。接下来研究了颗粒对水凝胶微观结构的影响，并通过扫描电子显微镜检测了生物活性玻璃(BG)和氨基改性(NBG)生物活性玻璃的形态.科学家们将均质NBG颗粒的存在归功于合成方法，随后通过使用SEM检测横截面图像来分析水凝胶的微观结构形态，其中结冷胶(AG)的多孔表面是光滑的。同时，掺入无机颗粒显着影响了生物材料的结构形态。该团队还注意到BAG(新型生物活性玻璃控制)和CAG(静电增强水凝胶)具有相同的三维(3D)多孔结构。

不同水凝胶的理化性质

由于水凝胶以其溶胀特性而闻名;作为材料最重要的物理特性之一，溶胀的水凝胶通过从外部环境吸收营养来促进物质的交换。通过在这项工作中加入生物活性玻璃，丁等人。与结冷胶相比，BAG(新型生物活性玻璃)的溶胀率显着降低。该材料的流体保留特性允许细胞浸润到支架中，并促进细胞外基质和水凝胶之间的有效营养运输。在体内植入后，封装的细胞能够在营养丰富的环境中生长良好。然而，由于水凝胶在植入人体后通常会降解，因此支架可以以与组织再生相当的速度降解。科学家们通过检测凝胶重量的时间变化来研究水凝胶的降解行为。CAG(静电增强水凝胶)生物材料的稳定降解率使其在植入后可以长时间保留在成骨空间中，有利于成骨。研究人员还通过流变学和抗压强度实验。

材料科学家仔细监测大多数新骨替代材料在缺陷部位的免疫反应。在这里，丁等人。研究了细胞迁移能力和炎症基因表达，以确定水凝胶处理后的免疫反应。与其他对照相比，BAG和CAG生物材料均显示出改善的细胞迁移，并表明成功诱导免疫反应。为了了解细胞生物相容性，该团队满足了早期组织再生的水凝胶上的细胞形态和迁移参数。为了做到这一点，他们使用了大鼠骨髓干细胞并在生物材料上培养它们。CAG生物材料有助于细胞粘附和扩散，而NBG表面上的氨基能够吸附蛋白质以促进细胞迁移，而BAG不适合细胞粘附。

展望——水凝胶在体内的成骨潜力

鉴于CAG增强的成骨性能，该团队接下来在大鼠颅骨缺损模型中研究了该材料，以检测水凝胶在体内的骨再生能力。他们注意到植入时的炎症反应导致在缺陷部位募集大量巨噬细胞。丁等人。还注意到骨髓干细胞中的缺损部位的表达增加，使用免疫组织化学和贷记的增强募集细胞到CAG的形态，其含有相对较大的孔，以促进细胞募集和骨生长在缺损部位，为了给加速骨骼修复。进一步的研究包括显微计算机断层扫描方法和组织学染色，以及连续荧光标记以了解不同生物材料之间的骨再生。通过这种方式，XinxinDing及其同事展示了不同相之间改善的界面生物相容性如何有助于改善复合水凝胶。多样化的生物材料增强了骨再生的能力，并为开发可转化为临床应用的新型复合水凝胶提供了便捷的方法。