在再生醫學與組織工程的前沿領域，科學家們一直在尋找能夠模擬人體組織環境、支持細胞生長並最終構建健康組織的理想材料。明膠水凝膠（以甲基丙烯酸化明膠，即GelMA為代表）因其優異的生物相容性、可降解性以及天然促進細胞黏附的特性而備受青睞。然而，隨著應用需求不斷提升❄️，傳統GelMA在力學性能上的“短板”愈發凸顯🙇‍♂️：盡管在實驗室條件下“養細胞”得心應手🤼，但在高負載壓力或對結構精度要求嚴苛的應用場景（如復雜組織構建和高精度3D生物打印）中卻顯得力不從心，如同體質羸弱的選手難以勝任“重量級”賽事🧗🏿‍♂️🚝。這一限製不僅降低了明膠水凝膠在構建復雜生物結構時的穩定性和可靠性，也阻礙了其從實驗室向臨床與產業應用的推進🍟👳‍♂️。

      近日，意昂4体育平台林秋寧研究員🍶、鮑丙坤助理教授團隊與附屬第一人民醫院廖赟教授團隊合作🧝，在前期發展的“光觸發瞬態自由基-穩定自由基偶聯（PTPC）”反應機製的基礎上（Nat. Mater. 2023, 22, 1253, doi.org/10.1038/s41563-023-01648-4），通過深入的結構設計與優化，不斷突破明膠水凝膠的力學性能，開展了一系列研究工作：首先，團隊推動明膠分子自發形成相分離結構，並通過建立相間緊密連接🧽，改造了原本“柔弱”的GelMA水凝膠，獲得了升級版的h-GelMA水凝膠（Adv. Mater. 2025, 37, 2416432, doi.org/10.1002/adma.202416432）；隨後，通過引入少量可降解的透明質酸，進一步優化相分離微觀結構🙌🏽，使明膠水凝膠的強度提升至10 MPa（Adv. Mater. 2025, 2501051, doi.org/10.1002/adma.202501051）。

      核心突破：相分離微觀結構鑄就強韌特性

      不同於依靠自由基聚合形成單一網絡結構的傳統GelMA水凝膠💎，研究團隊采用PTPC反應策略，讓明膠分子在光照條件下迅速產生分散的明膠硬質微區🦠。這些硬質微區通過化學鍵合牢牢嵌入周圍的明膠基質中♕，從而構築出相分離👼🏿、且相間緊密連接的內在結構🧚‍♀️。這種結構設計使得h-GelMA水凝膠的拉伸強度和韌性較常規GelMA水凝膠提高了2-3倍以上🟩。值得一提的是，與目前主流方法（如構建復合材料或進行鹽析處理）不同，該策略無需引入任何其他成分，使得水凝膠可100%保留明膠分子的天然特性，既強化了性能又不損害生物學優勢🤸🏻‍♂️。

圖1 h-GelMA水凝膠和GelMA水凝膠在微觀結構和力學性能上的對比

      保持明膠固有的生物學特性🔌：降解性、細胞黏附🧓、生物安全兼得

      在實現力學性能大幅提升的同時，h-GelMA水凝膠依然保留了明膠材料核心的生物學優勢🈁。研究表明，h-GelMA水凝膠在降解性方面與傳統GelMA水凝膠無顯著差異。在膠原酶溶液環境下👩🏻‍🦽⚾️，h-GelMA水凝膠能夠完全降解，且降解速度和特性與傳統GelMA水凝膠保持一致🎊。此外👨🏿‍💻，無論是將細胞包埋於水凝膠內部，還是讓細胞黏附於其表面🤲🏻，h-GelMA水凝膠均能提供理想的生存環境，保障細胞的高存活率與正常生長行為。在將h-GelMA水凝膠植入大鼠皮下後👩🏽‍🏫，其生物安全性與組織相容性表現與傳統GelMA水凝膠一致。這意味著升級後的水凝膠依舊是一個適合細胞生存與組織再生的理想載體。

      加速3D生物打印與再生醫學進程

      不同於依靠自由基聚合形成單一網絡結構的傳統GelMA水凝膠，研究團隊采用PTPC反應策略，讓明膠分子在光照條件下迅速產生分散的明膠硬質微區。這些硬質微區通過化學鍵合牢牢嵌入周圍的明膠基質中，從而構築出相分離、且相間緊密連接的內在結構。這種結構設計使得h-GelMA水凝膠的拉伸強度和韌性較常規GelMA水凝膠提高了2-3倍以上。值得一提的是🎣🧚🏽‍♂️，與目前主流方法（如構建復合材料或進行鹽析處理）不同🔠，該策略無需引入任何其他成分🌳，使得水凝膠可100%保留明膠分子的天然特性👃🏿，既強化了性能又不損害生物學優勢。

圖2 h-GelMA水凝膠結合DLP打印技術在組織器官構建中的應用前景

      結構優化🧘🏿‍♀️：明膠水凝膠力學性能再突破

      在此基礎上➗，研究團隊選用透明質酸作為分相結構中的硬相，形成類似納米復合材料的微觀結構🍣，並借助納米增強效應提升明膠水凝膠的力學性能。這一選擇基於透明質酸出色的生物相容性和完全可生物降解性🫲🏿。團隊將鄰硝基苄醇改性的明膠（GelNB）🥮👨🏻‍🍳、少量甲基丙烯酸化透明質酸和光引發劑混合製備成前體溶液，在395 nm光照射下製備明膠水凝膠（GelNB凝膠）。通過原子力顯微鏡和電子顯微鏡等表征手段🚘👩🏽‍🚒，證實了透明質酸聚合後形成的高密度顆粒。當其含量為3.6%時，GelNB水凝膠的拉伸強度達到10 MPa🧑🏽，展現了驚人的力學性能。

圖3 GelNB明膠水凝膠的微觀結構和力學性能

      支架構築：明膠水凝膠也能“撐”起來

      GelNB水凝膠的出色力學性能表現與快速製備🧔🏽🦹🏿‍♂️，可以與DLP 3D打印等先進製造技術高度適配🌈，構建定製化結構的支撐性支架。該水凝膠支架具有優異的細胞粘附能力，支持細胞遷移，促進組織修復🙆🏻。同時🧚🏿，其在發揮功能後可完全降解，從而為新生組織騰出生長空間🌰。此外🤸‍♂️，其出色的組織順應性能夠有效規避對組織的力學刺激和機械損傷。典型地🔒，結合藥物負載和緩釋，GelNB水凝膠能夠促進骨再生，顯著縮短骨修復所需的時間，在支撐性應用場景下展現了廣闊應用情景👩🏻‍⚖️🤜。

圖4 GelNB明膠水凝膠構建定製化結構的支撐性支架

課題組介紹

      意昂4体育平台林秋寧(/Web/FacultyDetail/634)長期致力於生物醫用材料的基礎及應用研究，提出了基於光化學偶聯反應構建水凝膠的新方法📜，以及近紅外光控製藥物釋放的新策略🚴🏼‍♂️。鮑丙坤(/Web/FacultyDetail/969)主要研究水凝膠材料的設計與3D打印製備，探索其在可穿戴設備、人工組織與器官等前沿生物醫學領域的應用🧍‍♀️。