一、研究背景

众所周知，在体内，大多数细胞外基质（ecm）是由胶原蛋白、纤维连接蛋白和弹性蛋白等纤维蛋白组成的水凝胶状网络形成的，这些纤维蛋白具有微孔，可以方便地运输营养物质和废物它们的组成纤维影响其支持细胞的生长和表型，并赋予组织特定的性质此外，ecm的纤维结构影响结合到纤维表面的生长因子的信号传导及其信号转导途径由于组织工程中使用的水凝胶支架作为临时的ECM，促进细胞分化和增殖产生相应的组织，设计和制造模拟ECM的纤维水凝胶对于组织工程、再生医学和三维细胞培养的发展具有重要的生物医学意义到目前为止，自组装策略主要用于制造纤维性水凝胶，使用肽、嵌段共聚物和丝状纳米颗粒作为构建块。这些材料的机械性能与体内的ecm相似，并且与具有纳米孔的普通分子水凝胶相比，它们表现出了更好的质量传递然而，它们的组成纤维可能具有较差的稳定性，特别是在生理条件下，由于一些体内离子或分子削弱了构建块之间的物理相互作用。此外，通过自组装形成的纤维通常直径小于100纳米，这比在肌腱和韧带等组织的ecm中发现的类似物（直径为100 - 1000纳米）要薄得多。令人沮丧的是，这种策略有一些固有的局限性；例如，形成纤维所需的恶劣条件和大规模制备纤维的困难。这些挑战表明，迫切需要一种新的策略来设计和制造用于实际生物医学应用的模拟ecm纤维水凝胶，特别是可注射的模拟ecm纤维水凝胶。

与自组装相比，静电纺丝是一种简单、廉价和通用的技术，可以大量制备直径从几十纳米到几微米的纤维。此外，在静电纺丝过程中，药物或生物活性分子可以被加载到纤维中，具有很高的加载效率然而，传统的静电纺丝技术提供了具有极小孔径的二维（2D）纤维膜，这使得它们不适合生物医学应用为了解决这一问题，各种针对三维（3D）静电纺丝支架的改进静电纺丝技术，如多层静电纺丝、牺牲剂静电纺丝、湿式静电纺丝和超声增强静电纺丝，以及后处理技术，包括气体发泡、超声、短纤维组装、3D打印和电喷涂，已经得到了发展然而，到目前为止报道的3D纤维支架大多是由疏水电纺丝纤维制成的，这使得模拟亲水性ecm变得非常困难。特别地，这些改进的静电纺丝技术通常提供预成型支架而不是注射支架。

在这里，我们报告了一种新型的可注射水凝胶，即一种可注射的ecm模拟水凝胶（IEMH），它由缩短的电纺Janus纤维组成，能够在体温下自卷曲。其独特的溶胶-凝胶转变机制是基于热诱导自卷曲Janus纤维之间的紧密缠结及其疏水相互作用的协同作用，这是通过扫描电子显微镜（SEM）和全反射荧光显微镜（TIRFM）观察，流变学测量，傅里叶变换红外光谱（FTIR）和核磁共振（NMR）表征证实的。以热敏型聚n -异丙基丙烯酰胺-co-4-丙烯酰二苯甲酮（PNA）和甲基丙烯酸甘油酯（GMA）改性聚乙烯醇（MPVA）为纺丝聚合物，均具有光交联性，采用并排（s-b-s）静电纺丝工艺结合紫外线（UV）照射可大量制备Janus纤维。IEMH是在不使用任何有机溶剂或活性化学物质的情况下，通过均质机将Janus纤维在pH为7.4的磷酸盐缓冲溶液（PBS）中缩短和分散而制备的。这种新型可注射水凝胶在室温下具有明显的假可塑性，有利于注射，在体温下表现出快速的凝胶行为。纤维结构的胶凝产物与ECM相似，具有生理条件下所需的理想稳定性、坚固性、弹性和自愈能力。这些独特的特性使我们开发的IEMH非常适合生物医学应用，如组织工程支架。

二、摘要

迄今为止，报道的可注射水凝胶未能模拟细胞外基质（ECM）的纤维结构，限制了它们对细胞生长和表型的生物学作用。此外，它们缺乏ECM中存在的微孔，这不利于营养物质和废物的便捷运输。在此，通过将Janus纤维在体温下自卷曲的缩短和分散到pH 7.4的磷酸盐缓冲溶液中，制备了一种可注射的模拟ecm水凝胶（IEMH）。IEMH可以通过静电纺丝设备与紫外线照射相结合的方法大规模制备。仅含5 wt%纤维的IEMHs可以在体温下发生溶胶-凝胶转变，成为具有理想稳定性、坚固性、弹性和自愈能力的固体凝胶。此外，它们还具有明显的假塑性，这有利于在室温下注射。通过扫描电镜、全内反射荧光显微镜、核磁共振波谱和傅里叶变换红外光谱等表征分析结果表明，在生理条件下，它们的溶胶-凝胶转变源于热诱导自卷曲纤维之间的紧密缠结和纤维之间的疏水相互作用的协同作用。采用C2C12成肌细胞MTT法检测IEMHs体外细胞毒性，细胞活力可达95%以上。

三、结论

综上所述，我们设计并制造了一类新的可注射水凝胶，它可以在生理条件下经历溶胶-凝胶转变，形成具有模拟ecm纤维结构的固体凝胶。IEMHs由缩短的Janus纤维组成，能够在体温下自卷曲，不含任何有毒或活性化学物质。Janus纤维可以通过s-b-s静电纺丝工艺与紫外线照射相结合，使用水作为制备纺丝溶液的溶剂来大规模生产。FTIR、NMR、SEM和TRIFM表征结果表明，IEMHs的溶胶-凝胶转变源于热诱导自卷曲纤维之间的紧密缠结和纤维之间的疏水相互作用的协同作用，从而导致其在生理条件下具有良好的稳定性。在室温下，它们具有显著的假塑性，这有利于注射，并随着纤维浓度或纤维平均长度的增加而增强。在体温下，仅含5%纤维的IEMHs就能迅速凝胶化，形成具有理想的坚固性、弹性和自愈能力的固体凝胶。体外细胞毒性实验结果表明，小鼠C2C12成肌细胞与IEMH混合后，在11天的培养时间内，细胞存活率可达95%以上。由于其形成的固体凝胶也具有类似于ECM的纤维结构，与普通的可注射分子水凝胶相比，这种新型可注射水凝胶更适合作为组织工程支架，因为它可能存在生物效应。

图1.IEMH的制备和注射性。(a) IEMH-5b中缩短纤维的SEM图像（插图为IEMH-5b的外观）。(b) 25°C时IEMHs的表观粘度（ηa）随剪切速率的变化（两张插图为除IEMH-7b外的IEMHs的ηa随剪切速率在0 ~ 200 s−1之间的放大曲线，以及通过25G注射针注射IEMH-5b的图像）。

图2.生理条件下IEMHs的溶胶-凝胶转变行为及其转变后的性质。(a)装有IEMH-5b样品的倒置玻璃瓶在37°C和25°C时的光学图像。(b) 37°C将IEMH-5b注射到pH 7.4 PBS中的光学图像。(c)将IEMH-5b注射到pH 7.4 PBS中，在37°c下拉伸形成的纤维状水凝胶的光学图像。(d) IEMH-5b在25-40℃温度范围内，振荡频率为1hz，升温速率为1℃min - 1时测量的温度相关G′和G”（虚线表示G′和G”相交处）。(e) IEMH-5b在不同温度下的线性粘弹性谱。(f) 1% ~ 400%循环应变阶跃试验结果（振荡频率1Hz）。