受生物矿物启发的TiO2负载胶原纳米纤维水凝胶，具有优异的机械强度和环境稳定性

《International Journal of Biological Macromolecules》：Biomineral-inspired TiO2-loaded collagen nanofibrous hydrogels with enhanced mechanical robustness and environmental stability

胶原蛋白纳米纤维水凝胶通过表面和间隙负载TiO?纳米颗粒，利用氢键和Ti(IV)配位键增强界面作用，显著提升机械性能（存储模量达1616.4 kPa）、环境稳定性（热稳定性及抗菌性）和生物相容性。

　　

田振华|高盼盼|郝传宇|韩秀飞|龚固|廖娇

陕西科技大学生物资源化学与材料工程学院，中国西安，710021

摘要

由于具有出色的生物功能性，胶原纳米纤维水凝胶在组织工程领域受到了广泛关注。提高胶原水凝胶性能的一种传统方法是引入纳米材料；然而，其实际应用仍受到界面结合力弱的限制。受到生物矿物组成、结构和机械强度的启发，我们开发了一种创新策略，在胶原纳米纤维的表面和间隙中负载TiO₂，从而制备出具有优异机械强度、环境稳定性和生物相容性的胶原纳米纤维水凝胶。成熟的胶原纳米纤维被TiO₂纳米颗粒包裹，在TiO₂负载的胶原水凝胶中实现了均匀的钛分布。强界面相互作用——包括TiO₂与胶原之间的氢键，以及胶原的羧基/氨基与Ti(IV)之间的配位键——是水凝胶机械性能显著提高的关键因素。TiO₂负载的胶原纳米纤维水凝胶的储存模量、断裂强度和韧性分别从1.8 kPa、0.22 MPa和0.091提高到1616.4 kPa、1.89 MPa和0.380，显示出广泛的可调性。此外，TiO₂负载的胶原纳米纤维水凝胶的环境稳定性和适应性也得到了显著改善，表现为热变性温度升高、耐酶性增强、抗菌活性提高以及膨胀率降低。重要的是，这些水凝胶仍保持了优异的细胞增殖促进作用。本研究提供了一种简单而有效的方法，用于增强胶原与纳米材料之间的界面相互作用，并制备出具有理想性能的胶原基水凝胶。

引言

支架材料是组织工程和再生医学的核心组成部分，因为它们必须满足关键功能：促进细胞生长和组织修复、为新组织提供机械支持以及替代受损器官。水凝胶具有类似于细胞外基质（ECM）的多孔结构和粘弹性，为细胞增殖和物质运输创造了有利的环境[1]。

作为ECM中最丰富的蛋白质，胶原（COL）具有典型的三螺旋结构，这赋予了它低抗原性、出色的生物相容性和良好的生物降解性[2]。值得注意的是，在模拟生理条件下，胶原分子可以在体外自发自组装成层次有序的纳米纤维，同时驱动胶原溶液相变成水凝胶[3]。由此产生的纳米纤维结构紧密模仿了组织中胶原的天然超分子结构；此外，与分子形式的胶原相比，胶原纳米纤维具有较低的免疫原性、更强的细胞整合能力和较慢的降解速率。这些特性使胶原纳米纤维水凝胶成为理想的支架材料候选者[4]。

然而，纯胶原水凝胶在机械性能和环境适应性方面存在固有的局限性[5]，无法满足生物支架的临床要求。克服这些缺点的常用方法包括交联[6]、[7]、引入合成聚合物[8]、天然多糖[9]或纳米材料[10]，以及多种方法的组合[11]。例如，基于胶原的有机水凝胶是通过多种动态共价交联方法制备的，使用胶原、氧化透明质酸、丙烯酸、Zr(SO₄)₂、黑荆树皮@AgNPs和乙二醇作为原料，其储存模量（G′）为3.8–4.8 kPa，压缩应力为100–150 kPa，并具有良好的环境稳定性（包括低温抗冻性和热稳定性）[12]；然而，这些有机水凝胶的组成过于复杂，胶原并非主要成分。此外，通过碳二亚胺盐酸盐和N-羟基琥珀酰亚胺钠盐制备的Col-HA复合水凝胶的G′为9–12 kPa[13]。热脱水戊二醛交联胶原水凝胶的G′达到28.8 kPa，是纯胶原水凝胶的288倍[11]。二氧化硅（纳米）棒@胶原生物复合水凝胶的G′值介于0.75至3.5 kPa之间[14]。目前对纯胶原水凝胶的改进方法显示出一定的效果，但仍存在明显局限性：（1）引入合成聚合物或热处理会损害胶原的生物相容性和生物降解性；（2）与其他天然聚合物或纳米材料的物理混合未能充分提高胶原水凝胶的机械强度和稳定性；（3）在某些制备方法中，水凝胶中的胶原主要以分子形式存在而非纳米纤维形式；（4）尽管可以通过组合方法实现高机械强度和环境稳定性，但系统组分的复杂性和操作程序可能阻碍大规模生产和后续应用。

基于金属氧化物的纳米材料具有独特的优势（例如，易于合成、多样的组成和结构，以及优异的热稳定性和化学稳定性），使其在生物医学和环境修复等领域具有高度多功能性。此外，由于其独特的高比表面积、丰富的表面活性位点以及纳米尺度和界面效应，它们可以有效改善聚合物基体的性能[15]。越来越多的证据表明，纳米材料与聚合物基质之间的界面结合是增强机械稳定性和环境稳定性的关键[16]。不幸的是，在自组装的胶原纳米纤维水凝胶中，高水分含量导致纳米材料在水凝胶基质中的结合状态松散，纳米材料与胶原之间的界面结合力较差；因此，稳定性的提高——特别是机械强度——受到限制。此外，表面能较高的纳米材料容易在聚合物基质中聚集，其不良分散性会对机械性能产生不利影响[17]。

生物矿物是一类天然的有机-无机复合材料，具有显著的硬度和强度[18]。例如，骨组织由有序的胶原纤维和羟基磷灰石（HAP）组成，其中胶原作为有机基质赋予骨骼韧性和灵活性，而HAP作为无机成分提供刚性和强度[19]。这种紧密的有机-无机界面结合不仅增强了材料的机械性能，还赋予了它们独特的生物相容性和功能性[20]。二氧化钛（TiO₂）是一种成本效益高且化学性质稳定的纳米材料，广泛应用于许多领域，如作为光催化剂进行环境净化、作为纳米流体进行石油回收，以及作为防晒剂用于化妆品[21]、[22]、[23]。此外，它还具有优异的生物相容性、抗癌和抗菌性能，以及良好的机械性能[24]、[25]；TiO₂还具有优异的骨传导性，是支持牙科植入物表面和体内骨骼整合的活性成分[26]。因此，它被认为是最具前景的纳米材料之一。Archana等人[27]报告称，壳聚糖-PVP-TiO₂纳米复合材料作为伤口敷料时表现出良好的抗菌能力、血液相容性和细胞相容性。TiO₂纳米颗粒的合成方法——包括溶胶-凝胶法、水热法、沉淀法——在决定其形态、尺寸、表面积和最终性能方面起着重要作用[28]。其中，使用钛醇盐前体的溶胶-凝胶法具有产品纯度高、颗粒尺寸分布均匀且窄、反应温度低等优点[29]、[30]；此外，原位加载技术的引入增强了纳米材料在有机基质中的均匀分散[31]。

在这项工作中，我们采用原位溶胶-凝胶方法将TiO₂加载到胶原纳米纤维的内部和表面，以增强TiO₂与水凝胶基质之间的界面结合，从而提高纳米纤维的结构稳定性。这种方法使水凝胶具有高度稳定的骨架，从而表现出优异的机械强度和环境稳定性（如热稳定性、膨胀性能、生物降解性和抗菌活性）。此外，所设计的水凝胶没有细胞毒性，并能促进细胞增殖。

材料

异丙醇钛（TIPT，95%）购自中国上海Aladdin生化科技有限公司。生化级I型胶原酶（≥ 125单位/mg）购自美国Sigma Chemical有限公司。氯化钠（NaCl，99.5%）、十二水合磷酸二钠（Na₂HPO₄?12H₂O，99%）、二水合磷酸二氢钠（NaH₂PO₄?2H₂O，99%）、异丙醇（99.7%）和无水乙醇（99.5%）均购自中国广东光华科技有限公司。

TiO₂负载胶原纳米纤维水凝胶的外观和微观结构

图1显示了TiO₂负载胶原纳米纤维水凝胶的数字照片、TiO₂含量和微观结构。由纳米纤维组成的纯胶原水凝胶是半透明的且带有乳光，这是由于纳米纤维对光的散射。此外，水凝胶逐渐失去透明度并最终变得不透明/白色，这归因于TiO₂含量的显著增加（如图1a和b所示）。纯胶原的TiO₂含量为0

结论

制备了TiO₂负载的胶原纳米纤维水凝胶，以提高纯胶原水凝胶的机械强度、环境稳定性和生物相容性。这些改进是通过在胶原纳米纤维的内部和表面原位水解和缩合异丙醇钛（TIPT）实现的。得益于Ti(IV)与胶原中的羧基、氨基和羟基的有效配位，以及强大的有机-无机

CRediT作者贡献声明

田振华：撰写 – 审稿与编辑、监督、项目管理、资金获取、数据管理、概念构思。高盼盼：撰写 – 原始草稿、研究、数据分析。郝传宇：研究、数据管理。韩秀飞：数据管理。龚固：数据管理。廖娇：监督、研究。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的竞争性财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。

致谢

本工作得到了国家自然科学基金（编号：22278256）、陕西省创新能力支持计划项目（编号：2025ZC-KJXX-41）和陕西省科学技术协会青年人才基金（编号：20230626）的财政支持。