基于层级构建策略的壳聚糖/透明质酸非共价水凝胶：缠结增强的强韧性设计及其人工皮肤应用

　　针对非共价天然聚合物水凝胶(NNH)机械强度不足的瓶颈问题，中国研究人员创新性提出"站立分层-水洗重组-主客体渗透交联"三级策略，构建了具有蜂窝状刚性骨架和柔性缠结域的CS/HA复合水凝胶。该材料断裂韧性达570 kJ/m3 ，是物理交联HA/CS的7倍，同时保持优异的生物相容性和降解性，为人工皮肤(HAS)提供了新型全天然聚合物解决方案。

　　

在生物医学领域，模拟人体皮肤功能的水凝胶材料(HAS)因其与细胞外基质(ECM)相似的三维多孔结构，在创面修复、烧伤治疗等领域展现出巨大潜力。其中，由天然聚合物如透明质酸(HA)和壳聚糖(CS)构建的非共价水凝胶(NNH)凭借优异的生物相容性和可降解性备受关注。然而这类材料普遍存在机械强度不足的缺陷，现有报道的NNH韧性值多局限在100-200 kJ/m³
范围，难以满足负载需求。传统增强方法如共价交联或合成材料复合往往以牺牲生物相容性为代价，这一矛盾长期制约着NNH的临床应用突破。

受蜘蛛丝多级螺旋结构的启发，中国研究人员在《International Journal of Biological Macromolecules》发表研究，提出创新性的三级构建策略：通过站立分层(S-layering)形成有序层状结构，水洗重组(WW-rearranging)构建刚性蜂窝状骨架，最后利用精氨酸(Arg)修饰的CS纳米粘附域与HA骨架的主客体渗透交联(HG-crosslink)，在材料内部形成动态缠结网络。该研究首次实现了全天然聚合物NNH的力学性能突破，同时完美保留了材料的生物学特性。

关键技术包括：三级结构构建工艺(S-layering/WW-rearranging/HG-crosslink)、CS-Arg复合纳米粘附域制备、流变学表征和力学测试体系。通过精密的工艺控制，使柔性粘附域渗透进入刚性骨架形成拓扑缠结，创造性地模拟了天然蜘蛛丝的刚柔并济结构。

【材料与方法】
研究采用常规试剂通过特殊工艺构建CS/HA前体(PRE)，对比显示传统一锅法产物(PRE)在水中快速溶解且无法力学测试。而经S-layering处理的样品形成稳定层状结构，WW-rearranging后产生孔径20-50μm的蜂窝状架构，为后续HG-crosslink奠定基础。

【结果与讨论】
力学测试显示最终产物韧性达570 kJ/m³
，远超物理交联对照组。流变学证实材料具有典型的粘弹性行为，储能模量(G')始终高于损耗模量(G'')。扫描电镜清晰显示刚性骨架与柔性缠结域的双相结构，其中粘附域通过静电作用和氢键与骨架形成动态交联网络。这种结构在受力时可通过可逆键断裂和界面滑移耗散能量，而缠结域的拓扑重构能力则赋予材料自修复特性。

【结论】
该研究开创性地建立了全天然聚合物NNH的强韧化新范式：三级构建策略形成的多尺度结构协同作用，使材料同时具备蜘蛛丝级力学性能和理想生物学特性。其中HG-crosslink产生的动态缠结域贡献了约83%的能量耗散能力，而精氨酸修饰显著提升了界面相互作用。这种不使用任何化学合成组分的绿色制备方法，为开发新一代人工皮肤提供了重要技术路径，其设计理念也可拓展至其他生物医用材料领域。研究获得安徽省自然科学基金等项目支持，相关技术已申请专利保护。