尽管气凝胶因其高孔隙率、轻质和设计灵活性而在再生医学和软组织工程中显示出巨大潜力，但它们通常存在脆性和低弹性的问题。这项旨在解决这一挑战，通过创建一种能够在承受机械负荷时保持柔韧性和弹性的混合气凝胶。
研究简介
通过结合静电纺丝、湿法纺丝、冻铸和交联技术，成功开发了一种具有自增强网络的微米和纳米纤维的混合气凝胶。这些气凝胶展示了优异的机械性能，包括高比拉伸模量（约1961.3 MPa cm³ g⁻¹）和断裂能量（约7448.8 J m⁻²），同时表现出超弹性特性和快速形状恢复（约1.8秒）。在大鼠皮下植入后，这些气凝胶诱导了快速的组织内生长、细胞外基质沉积和新生血管形成。此外，这些气凝胶可以通过微创手术用于软组织工程，并且可以通过添加磁性或导电性能来扩展其多功能性，实现压力感应和驱动。
优化后的混合气凝胶在结构和设计灵活性方面具有显著优势。通过物理缠结的微纳米纤维网络，气凝胶能够在外部应力下有效分散应力，防止机械故障，同时保持形状恢复能力。这种双尺度纤维的结合对于气凝胶的灵活性和形状恢复至关重要，使其能够通过导管或套管等工具递送。
在细胞研究方面，混合气凝胶由于其模拟天然细胞外基质的结构和促进细胞响应的能力，提供了一个有利于细胞增殖、迁移和神经突起生长的环境。研究者们通过培养HaCaT细胞（永生化的人类角质形成细胞）和绿色荧光蛋白（GFP）标记的真皮成纤维细胞，发现这些细胞在混合气凝胶上的增殖和分布优于单独的纳米纤维或微米纤维气凝胶。此外，研究还观察到在混合气凝胶上培养的人类神经前体/干细胞的神经突起生长得到了促进。
在最小侵入性递送方面，混合气凝胶的高灵活性和形状恢复能力，以及细胞在其中的快速迁移和增殖，表明了它们在以最小侵入性方式递送功能性3D组织构造的潜力。通过将GFP标记的真皮成纤维细胞种植在不同尺寸的混合气凝胶上，展示了这些构造可以通过比气凝胶本身直径小得多的套管进行递送。
在软组织再生方面，将2D纳米纤维垫、纳米纤维气凝胶、微米纤维气凝胶和混合气凝胶作为无细胞支架植入大鼠背部，并在14天和28天后进行活组织检查。结果显示，混合气凝胶和微米纤维气凝胶在植入后14天显示出比2D纳米纤维垫和纳米纤维气凝胶更显著的宿主细胞内生长。这可能是由于混合气凝胶和微米纤维气凝胶中相互连接的大孔隙结构，使得宿主细胞能够从周围组织迁移到植入物中并形成新组织。到了28天，宿主细胞完全穿透了所有植入的气凝胶，形成了新的血管化组织。
此外，研究还展示了混合气凝胶的功能化，通过涂覆聚吡咯（形成NF/MF/Ppy）和添加Fe3O4纳米颗粒（形成NF/MF/Fe3O4），这些气凝胶展现出了应变响应的压力感应特性和对磁场的显著响应。这些功能化的混合气凝胶可以用于压力感应、驱动器或作为磁共振成像（MRI）可见的支架进行组织再生。
总的来说，开发的混合气凝胶在结构和设计灵活性方面具有显著优势，能够在承受机械负荷时保持柔韧性和弹性，同时促进细胞内生长、细胞外基质沉积和新生血管形成。这些气凝胶的多功能性，包括应变响应感应和磁响应特性，为组织工程和再生医学提供了广阔的应用前景。通过一系列实验验证了这些气凝胶的机械性能、细胞相容性和体内再生能力，为未来的临床应用奠定了基础。
原文链接：
https://doi.org/10.1038/s41467-024-45458-x
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