加拿大不列顛哥倫比亞大學李宏斌教授團隊和南京大學醫(yī)學院附屬鼓樓醫(yī)院蔣青教授團隊合作的研究成果 "Cartilage-like protein hydrogels engineered via entanglement" 曾在學術期刊 NATURE 上成功發(fā)表 [1]，第一作者為不列顛哥倫比亞大學傅凌嵐博士， 南京大學醫(yī)學院附屬鼓樓醫(yī)院李瀾博士為共同一作。海斯菲德公司的 Micro CT 產品（產品型號：Hiscan XM） 在論文中提供了水凝膠對軟骨下骨修復效果的重要分析圖像。

人體內的承重組織，如肌肉和軟骨，表現(xiàn)出高彈性、高韌性和快速恢復。目前的蛋白質水凝膠技術在模擬肌肉等軟承重組織的機械性能方面取得了相當大的成功。但是，軟骨比肌肉要堅硬得多，現(xiàn)有的技術并不能制備出同等硬度的蛋白質水凝膠。研究發(fā)現(xiàn)，由于關節(jié)軟骨中的鏈纏結結構在聚合物網(wǎng)絡中是 “可移動的”，并允許機械能在許多長鏈中消散，這樣鏈纏結可以使聚合物網(wǎng)絡變硬但不會變脆。關節(jié)軟骨正是通過這種纏繞網(wǎng)絡來實現(xiàn)高硬度、高韌性和快速恢復的獨特力學特征?；诖?，該研究團隊在研究中采用了類似的鏈式糾纏物理機制來制備高硬度、高韌性的蛋白質水凝膠。

實驗方法

圖 1.1 (a) 中展示的是天然蛋白質濃縮液經過化學變性后得到的未折疊的蛋白質濃縮液。(FL) 8 是水凝膠制備的前驅體，它由八個鐵氧還蛋白樣蛋白 (Ferredoxin-like protein, FL) 單元串聯(lián)而成。然后使用鹽酸胍溶液對 (FL) 8 進行變性，使其變成未折疊狀態(tài)，未折疊的 (FL) 8 多肽鏈在濃縮蛋白質溶液中可能相互重疊，導致可能的鏈纏結。光交聯(lián) (Denatured crosslinking, DC) 后，鏈纏結保留在水凝膠中，形成 D-DC 水凝膠。進而，通過復性 (FL) 8 可以得到 N-DC 水凝膠，其中鏈纏結仍然存在，如圖 1.1 (b) 所示，虛線正方形突出顯示了鏈纏結的形狀。

該研究團隊經過嚴謹?shù)膶嶒炞C明，N-DC 水凝膠具有高硬度和良好的拉伸性，同時表現(xiàn)出驚人的韌性，可以抵抗鋒利的手術刀切割。

為了探索這些堅韌的 N-DC 水凝膠在修復骨軟骨缺損等方面的應用潛力，作者將較硬的 N-DC 水凝膠和軟性水凝膠同時植入兔子體內，并于移植后 4、8、12?周評價修復效果。為了有效評估修復效果，作者使用了本公司的 Micro-CT 產品對上述三組的軟骨進行掃描和重建。本公司的 Hiscan XM Micro-CT System 是一款集離體掃描和活體掃描于一體的 Micro-CT，最高分辨率可達 4μm。重建結果如圖 1.2 所示，左側第一列為對照組，中間第二列為軟性水凝膠組，右側第三列為硬性水凝膠組。不難發(fā)現(xiàn)，硬性水凝膠組在移植后 12?周可見明顯的軟骨下骨修復，而對照組和軟性水凝膠組未見明顯修復。同時，這兩組的軟骨缺損處充填著不規(guī)則的凹陷性再生組織，與周圍的軟骨有明顯區(qū)別。相比之下，硬性水凝膠組的再生組織被光滑的膜覆蓋，更接近天然軟骨。

討論結果

總結來說，該研究團隊展示了一種新型的蛋白質水凝膠制備方法，這種方法能夠兼顧蛋白質水凝膠硬度和韌性，其中的關鍵是將鏈纏結引入到折疊的球狀蛋白網(wǎng)絡中，以解決剛度和韌性之間的不相容問題。一方面，鏈的纏繞增強了水凝膠的硬度，而不會使網(wǎng)絡變脆。另一方面，球狀蛋白在強制展開時可以有效地消耗能量，而重新折疊時可以快速恢復。這些效應協(xié)同作用，將高硬度、高韌性、快速恢復和高壓縮強度的特性整合到蛋白質水凝膠中。此外，該方法還具備普遍性，也說明這種蛋白質水凝膠將發(fā)揮出巨大的應用潛力。毋庸置疑，該團隊的研究在生物醫(yī)學工程領域開辟了一條令人興奮的道路。