丝素蛋白纳米纤维仿生矿化与单向反向透析协同增强聚乙烯醇水凝胶力学性能研究

　　【编辑推荐】针对传统PVA水凝胶力学性能不足的瓶颈问题，研究人员通过丝素纳米纤维(SNF)仿生矿化构建有机-无机杂化材料(SNF/CaP)，结合单向反向透析技术调控PVA分子链排列，成功制备出拉伸强度达70.87 MPa、韧性309.07 MJ/m3 的矿化水凝胶(PSH)，其吸水后力学性能仍优于多数报道的PVA基水凝胶，为软骨组织工程提供了新策略。

　　

在组织工程领域，水凝胶因其三维网络结构和优异的生物相容性被视为理想的仿生材料。然而，传统聚乙烯醇(PVA)水凝胶的力学性能与天然骨骼相去甚远——其脆弱的网络结构难以承受负重部位（如关节软骨）的反复应力，这成为限制其临床应用的"阿喀琉斯之踵"。面对这一挑战，科学家们尝试了纳米填料增强、交联策略优化等多种方法，但如何实现矿物质均匀分布与力学性能的协同提升仍是未解难题。

中国农业科学院蚕业研究所等机构的研究人员独辟蹊径，从生物矿化现象和细胞膜渗透调节机制中获得灵感。他们发现丝素蛋白纳米纤维(SNF)表面丰富的羧基/氨基可作为钙磷酸盐(CaP)矿化的理想模板，而模仿细胞渗透压调节的单向反向透析技术能精确控制聚合物链排列。通过将二者巧妙结合，团队成功开发出具有层级结构的矿化水凝胶(PSH)，其性能指标突破性地达到天然软骨的力学要求。这项发表于《International Journal of Biological Macromolecules》的研究，为构建高性能生物材料提供了新范式。

研究团队采用三步法核心技术：(1)利用静电作用在SNF表面锚定Ca²⁺
；(2)通过Na₂
HPO₄
溶液诱导CaP原位矿化形成SNF/CaP杂化材料；(3)将SNF/CaP引入PVA网络后，采用单向反向透析调控分子链结晶。实验特别考察了pH值对矿化类型的影响，并采用人体软骨力学参数作为性能参照标准。

【设计及表征纤维矿化水凝胶】
在pH 5的酸性条件下，SNF表面形成的非晶态CaP与PVA基质产生更强界面结合。冷冻干燥SEM显示PSH水凝胶呈现独特的致密层状结构，这种仿生层级排列使其压缩强度达到70.87 MPa，较纯PVA水凝胶提升3.77倍。

【力学性能突破】
单向反向透析过程中，渗透压驱使水分定向迁移，促使PVA分子链形成纳米级氢键网络。与仅含SNF的PS水凝胶相比，PSH的韧性提升至309.07 MJ/m³
，且吸水平衡后仍保持8.1-40 MPa的强度区间，完全覆盖人体软骨力学需求。

【生物相容性验证】
细胞实验证实PSH水凝胶无细胞毒性，其表面特性有利于细胞粘附增殖。这种性能源于SNF的生物活性与CaP的仿生矿化协同作用，满足组织工程对材料力学和生物功能的双重需求。

该研究通过仿生策略破解了水凝胶强度-韧性难以兼得的困境：酸性条件下SNF引导的非晶态CaP矿化，与单向反向透析诱导的PVA结晶网络形成"刚柔并济"的复合结构。这种设计不仅使材料性能超越多数报道的PVA基水凝胶，更开创了通过物理场调控优化材料性能的新思路。从临床应用角度看，PSH水凝胶的力学适配性和生物安全性，使其在软骨修复、关节置换等领域展现出独特优势。研究团队特别指出，该方法避免了传统矿化技术导致的成分偏析问题，为开发下一代组织工程支架提供了可扩展的制备范式。