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  天然結構材料，如絲綢、動物骨骼、珍珠層和植物纖維，其優異的力學強度和韌性是合成材料難以達到的，實驗和理論研究表明，這些材料是通過犧牲鍵的斷裂實現了其特殊的增韌增強。疏水締合作用作為一種典型的犧牲鍵，在水凝膠受到應力時，有效耗散能量和增加斷裂韌性。同時，這種可逆的交聯方式可以使水凝膠在不需要外部刺激或愈合劑情況下快速自愈合。然而，在表面活性劑十二烷基硫酸鈉（SDS）溶液中膠束共聚形成的疏水締合凝膠往往表現出較低的細胞相容性，在組織工程領域應用中具有潛在的細胞毒性或其他不良作用。

  為解決這一問題，楊俊副教授團隊提出了一種無表面活性劑的疏水締合（HA）水凝膠的設計策略，將疏水性單體甲基丙烯酸十八烷基酯（C18M）溶解于兩親性絲素蛋白（RSF）溶液中形成疏水締合作用，并將其作為犧牲鍵引入到海藻酸鈉離子交聯網絡中（圖1），制備出兼具較高壓縮強度和自愈合性、可注射性和生物相容性的多功能絲蛋白基天然高分子水凝膠。

圖1. SA-RSF HA水凝膠的構建示意圖。

  彈性壓縮和流變學分析表明，在小應變作用下，疏水締合率先被破壞并發生能量耗散，隨著應變逐漸增大，疏水締合作用減弱，海藻酸鹽與Ca²⁺之間的離子鍵發生不可逆地斷裂，以維持凝膠結構的完整性。根據穩態剪切流變測量，HA水凝膠表現出剪切變稀行為，因此HA凝膠具有觸變性，當剪切應力消除后，其網絡結構可以很快恢復（圖2）。此外，利用光學顯微鏡記錄了HA凝膠的自愈過程，劃痕處的裂紋在12小時內幾乎愈合，說明HA凝膠具有一定的自愈合能力（圖3）。凝膠樣品切割后，凝膠表面產生裂縫，部分混合膠束斷裂，由于混合膠束（RSF+C18M）層內和層間的遷移，裂縫首先重塑為圓形孔洞，接著凝膠完全自愈。

圖2. HA凝膠的(a)儲能模量(G’)和(b)損耗模量(G”)。(c) SA，SA-RSF與不同濃度的C18M 的SA-RSF-C18M HA凝膠的穩態剪切粘度η* (37°C)。(d) HA凝膠的可注射性(甲基藍染色)。

圖3. (a) SA-RSF-C18M-30 HA凝膠自愈過程的光學顯微鏡圖像。(b) 自愈合前后凝膠機理示意圖。

  此外，在模擬體液（SBF）中礦化28天后發現磷化鈣納米顆粒均勻分布于礦化后的凝膠表面。這是由于絲素蛋白在SBF溶液的降解產物中含有磷酸根離子，絲素蛋白可將磷酸根離子傳遞到凝膠周圍環境中，有利于Ca²⁺的捕獲，在凝膠表面形成磷化鈣納米顆粒。值得注意的是即使體外培養14天后，小鼠成骨細胞（MC3T3-E1）在HA凝膠中的存活率仍能達到48.62%（圖4）。

圖4. (a) SA凝膠和(b) SA-RSF-C18M-30凝膠礦化20天后電鏡圖對比。小鼠細胞(MC3T3-E1)在HA凝膠中培養(c) 1天and (d) 14天后的細胞活性。

  上述成果于近期發表在ACS Applied Materials & Interfaces上，論文題目為Autonomic Self-Healing Silk Fibroin Injectable Hydrogels Formed via Surfactant-Free Hydrophobic Association，第一作者為北京林業大學博士生孟蕾，通訊作者為北京林業大學楊俊副教授。

  論文鏈接：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsami.9b19415