礦化是提高水凝膠剛度和強度最常用方法之一。摻入無機納米顆粒（通常以磷酸鈣的形式）不僅可以提高抗壓性，還會增強水凝膠的骨骼修復效果。常見的礦化方法包括原位礦化、模擬體液礦化、酶促礦化等。酶促礦化的過程中，堿性磷酸酶發揮調節作用，誘導水凝膠內甘油磷酸鈣溶液中磷酸鹽和鈣離子的成核和生長，形成羥基磷灰石納米顆粒。與模擬體液礦化和原位礦化相比，通過酶促礦化增強的水凝膠強度顯著提高。

然而，酶促礦化仍然存在一些需要克服的缺點。礦化通常會導致材料韌性降低并使材料更脆，這對于修復骨缺陷部位來說是不可取的。特別是，酶促礦化大大降低了韌性，材料的伸長率往往不到10% 。

為了解決這些問題，四川大學吳方教授聯合何靜教授選擇將聚乙烯醇 （PVA）和海藻酸鈉（SA）通過反復凍融和離子交聯形成雙網絡結構，然后進行酶礦化。結果表明，酶促礦化和雙網絡結構均改善了力學和生物學性能，甚至表現出協同效應。其中，聚乙烯醇（PVA）具有親水性和生物相容性，已廣泛用于醫療應用，例如傷口敷料、人工血管和骨骼修復。海藻酸鈉（SA）是一種天然多糖，可用作骨骼修復材料，具有離子交聯的優點，被用作雙網絡水凝膠之一。與 PVA 單網絡相比，PVA-SA 雙網絡水凝膠具有更好的強度和生物相容性。并且，礦化 PVA-SA 水凝膠表現出優異的綜合力學性能，楊氏模量為 1.03 MPa，儲能模量為 103 kPa，平衡溶脹率為 132%。特別是，PVA-SA 水凝膠在礦化后韌性沒有大幅降低，韌性值為 1.86 MJ/m3。并且，制備的水凝膠還表現出優異的生物相容性，細胞擴散面積約為礦化 PVA 的 13 倍。它還在體外有效促進細胞成骨分化，進一步促進體內股骨缺損區新骨的形成。總體而言，酶礦化 PVA-SA 水凝膠表現出強度和韌性相結合，在骨組織工程應用中具有巨大潛力。該工作以“Enzyme-Mineralized PVASA Hydrogels with Combined Toughness and Strength for Bone Tissue Engineering”為題發表于24年的ACS Applied Materials & Interfaces上。

【文章亮點】

1. 1.酶礦化雙網絡結構：將聚乙烯醇（PVA）和海藻酸鈉（SA）兩種常用的骨修復水凝膠結合起來，通過反復凍融和離子交聯形成雙網絡結構，再進行酶礦化處理。這種結合方法不僅提高了水凝膠的機械性能，還保持了其生物相容性，為骨組織工程提供了一種新的材料選擇。

   2.顯著提升的力學性能：實驗結果顯示，經過酶礦化的PVASA水凝膠（EMPVA-SA）具有卓越的綜合力學性能，其楊氏模量達到1.03 MPa，儲能模量為103 kPa，平衡膨脹比為132%。特別值得注意的是，PVA-SA水凝膠在礦化后并未損失韌性，保持了1.86 MJ/m3的高韌性值。這些性能的提升對于骨組織工程中的應用至關重要，因為它們需要在修復過程中提供足夠的機械支撐。

   3.優異的生物相容性和成骨能力：制備的水凝膠展現出卓越的生物相容性，細胞在其上的鋪展面積約為礦化PVA的13倍。此外，該水凝膠還能有效促進體外細胞的成骨分化，并進一步促進體內股骨缺陷區域新骨的形成。這表明EMPVA-SA水凝膠不僅力學性能出色，而且在生物活性方面也具有顯著優勢，能夠促進骨組織的再生和修復。

圖 1：水凝膠的合成方法、機械和生物學特性以及骨修復的應用 圖2：礦化水凝膠的組成 圖3：水凝膠形態和顆粒分布圖4：水凝膠的機械性能圖5：水凝膠的體外生物相容圖6：水凝膠的體外成骨潛力圖7：術后 4 周后 PVA、EMPVA、PVASA 和 EMPVASA 組骨修復的組織學評估圖8：EMPVASA 的強化機制

參考文獻：

Zhang, G., Wang, X., Meng, G., Xu, T., Shu, J., Zhao, J., He, J., & Wu, F. (2024). Enzyme-mineralized PVASA hydrogels with combined toughness and strength for bone tissue engineering. ACS Applied Materials & Interfaces, 16(1), 178-189.

論文鏈接：

https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsami.3c14006

來源：生物醫用材料進展