活性炭增強(qiáng)水凝膠，登上AM！

腹壁缺損修復(fù)是臨床面臨的重要挑戰(zhàn)，植入材料的功能重建策略中始終存在一個(gè)核心矛盾：如何在維持力學(xué)穩(wěn)定性的同時(shí)促進(jìn)組織整合？傳統(tǒng)合成補(bǔ)片雖具備足夠強(qiáng)度，卻常誘發(fā)嚴(yán)重的異物反應(yīng)且再生能力有限；而當(dāng)前抗粘連屏障和模擬細(xì)胞外基質(zhì)的水凝膠雖具有良好的生物相容性和水合微環(huán)境，但在濕潤(rùn)條件下難以兼顧低溶脹率和力學(xué)耐久性。這一問(wèn)題在腹壁缺損等承重部位尤為關(guān)鍵，力學(xué)不足或形變可能導(dǎo)致植入失敗、疝氣復(fù)發(fā)等并發(fā)癥。此外，在可能污染的腹膜環(huán)境中，生物材料往往會(huì)誘發(fā)劇烈炎癥和粘連，這凸顯了在材料設(shè)計(jì)中融入免疫調(diào)控功能的必要性。

針對(duì)這一臨床難題，中山大學(xué)王毅教授、黃榕康副主任醫(yī)師和廣東省人民醫(yī)院（廣東省醫(yī)學(xué)科學(xué)院）Huang Zhike合作團(tuán)隊(duì)開發(fā)了一種新型超結(jié)構(gòu)多孔雙層復(fù)合水凝膠（SPVA-AC），通過(guò)將醫(yī)用級(jí)活性炭（AC）引入聚乙烯醇（PVA）基質(zhì)，成功實(shí)現(xiàn)了高孔隙率、優(yōu)異力學(xué)強(qiáng)度和免疫調(diào)節(jié)性能的獨(dú)特組合。該水凝膠利用AC與PVA之間的強(qiáng)氫鍵作用、疏水相互作用和機(jī)械互鎖，使AC不僅充當(dāng)擴(kuò)孔劑構(gòu)建適于成纖維細(xì)胞浸潤(rùn)的大孔結(jié)構(gòu)，還作為剛性交聯(lián)中心增強(qiáng)力學(xué)穩(wěn)定性。同時(shí)，AC憑借其發(fā)達(dá)的納米孔結(jié)構(gòu)高效清除活性氧和炎癥因子，通過(guò)促進(jìn)M2型巨噬細(xì)胞極化重塑局部免疫微環(huán)境，加速組織愈合。在大鼠腹壁缺損模型中，SPVA-AC水凝膠展現(xiàn)出卓越的力學(xué)穩(wěn)定性、抗炎活性和促組織愈合性能。相關(guān)論文以“Activated Carbon-Reinforced Super-Structured Porous Hydrogel With Robust Mechanical and Excellent Pro-Healing Properties for Abdominal Wall Defect Repair”為題，發(fā)表在

Advanced Materials

研究團(tuán)隊(duì)通過(guò)簡(jiǎn)便的逐層涂覆和凍融循環(huán)策略構(gòu)建了這種超結(jié)構(gòu)水凝膠。掃描電鏡圖像清晰地展示了SPVA-AC的雙層結(jié)構(gòu)，頂層厚度約90微米，底層約300微米。水凝膠具有明顯的不對(duì)稱多孔結(jié)構(gòu)：頂層表面孔徑較小（平均0.7微米），可有效防止成纖維細(xì)胞粘附和內(nèi)臟粘連；底層表面則呈現(xiàn)擴(kuò)大孔結(jié)構(gòu)（平均7.4微米），有利于營(yíng)養(yǎng)運(yùn)輸和細(xì)胞遷移，促進(jìn)組織整合。X射線衍射光譜顯示，AC的引入對(duì)PVA的結(jié)晶度影響甚微。得益于AC與PVA間的強(qiáng)相互作用，SPVA-AC水凝膠在擁有大孔結(jié)構(gòu)的同時(shí)，拉伸強(qiáng)度提升至1.66 MPa（純PVA水凝膠為1.14 MPa），溶脹率降至1.9%（純PVA為6.4%），且在PBS中質(zhì)量損失可忽略不計(jì)，確保了在濕潤(rùn)環(huán)境中的長(zhǎng)期結(jié)構(gòu)完整性。

圖1 用于腹壁缺損修復(fù)的超結(jié)構(gòu)SPVA-AC水凝膠的設(shè)計(jì)與制備。（a）腹壁缺損修復(fù)的常規(guī)修復(fù)材料。補(bǔ)片提供相對(duì)穩(wěn)定的力學(xué)支持，但常誘發(fā)嚴(yán)重的異物反應(yīng)和慢性炎癥，阻礙組織整合并影響愈合過(guò)程。（b）具有超結(jié)構(gòu)多孔結(jié)構(gòu)的新型SPVA-AC水凝膠示意圖：PVA的小孔表面防止粘連，AC摻入的底層增強(qiáng)力學(xué)穩(wěn)定性、免疫調(diào)節(jié)和組織整合。（c）通過(guò)逐層涂覆和凍融循環(huán)制備SPVA-AC水凝膠的過(guò)程，展示了具有不同功能層的超結(jié)構(gòu)復(fù)合材料的形成。

AC固有的自由基清除、炎癥因子吸附和導(dǎo)電特性為組織修復(fù)提供了理想條件。研究顯示，SPVA-AC水凝膠對(duì)DPPH自由基表現(xiàn)出優(yōu)異的清除能力，共培養(yǎng)48小時(shí)后清除率達(dá)95%。同時(shí)，該水凝膠能有效吸附IL-6等炎癥因子，優(yōu)化組織修復(fù)微環(huán)境。電導(dǎo)率測(cè)試表明，SPVA-AC水凝膠具有優(yōu)異的導(dǎo)電性能，且導(dǎo)電性隨AC含量增加而提高，有利于細(xì)胞間電信號(hào)傳導(dǎo)和組織再生。

圖2 （a）SPVA-AC冷凍凝膠的截面SEM圖像。（b，c）SPVA-AC冷凍凝膠頂層（b）和底層（c）表面的SEM圖像。（d）純PVA粉末、PVA冷凍凝膠和SPVA-AC冷凍凝膠的XRD光譜。（e-g）PVA、SPVA-AC5、SPVA-AC和SPVA-AC20水凝膠的拉伸應(yīng)力-應(yīng)變曲線（e）、溶脹率（f）和質(zhì)量損失率（g）。（h）PVA、SPVA-AC5、SPVA-AC和SPVA-AC20水凝膠在不同共培養(yǎng)時(shí)間后的DPPH清除率。（i）使用四探針法測(cè)定的PVA、SPVA-AC5、SPVA-AC和SPVA-AC20水凝膠的電導(dǎo)率。數(shù)據(jù)以平均值±標(biāo)準(zhǔn)差表示（圖2f-i中n = 4個(gè)獨(dú)立樣本）。

細(xì)胞相容性評(píng)估進(jìn)一步證實(shí)了SPVA-AC水凝膠的生物安全性。研究采用活/死細(xì)胞染色法觀察L929成纖維細(xì)胞在不同水凝膠浸提液中培養(yǎng)后的存活情況，結(jié)果顯示各實(shí)驗(yàn)組均呈現(xiàn)密集的綠色熒光，死細(xì)胞（紅色）極少，表明SPVA-AC水凝膠無(wú)細(xì)胞毒性。細(xì)胞增殖實(shí)驗(yàn)定量結(jié)果表明，與對(duì)照組相比，SPVA-AC組的細(xì)胞增殖活性更高，且隨AC含量增加呈現(xiàn)增強(qiáng)趨勢(shì)，說(shuō)明AC的引入不僅未影響PVA的生物相容性，反而在一定程度上促進(jìn)了細(xì)胞增殖。

圖3 L929成纖維細(xì)胞與不同水凝膠浸提液共培養(yǎng)1、3和5天后的（a）活/死染色圖像和（b）細(xì)胞活力。比例尺：250 μm。數(shù)據(jù)以平均值±標(biāo)準(zhǔn)差表示（n = 4個(gè)獨(dú)立樣本；數(shù)據(jù)采用雙因素方差分析；p < 0.05，p < 0.01，p < 0.001）。

大鼠腹壁缺損模型植入實(shí)驗(yàn)表明，SPVA-AC水凝膠在10天和30天觀察期內(nèi)均保持良好的結(jié)構(gòu)完整性，無(wú)明顯形變，與腹壁貼合良好。組織學(xué)評(píng)估顯示，與聚丙烯補(bǔ)片和PCO補(bǔ)片相比，PVA和SPVA-AC組炎癥細(xì)胞浸潤(rùn)顯著減少，其中SPVA-AC組炎癥反應(yīng)進(jìn)一步降低，證實(shí)了AC的炎癥調(diào)節(jié)能力。Masson染色顯示，SPVA-AC組膠原纖維排列更致密有序，組織成熟度更高。免疫組化分析進(jìn)一步證實(shí)，SPVA-AC組顯著降低IL-6、IL-1β和TNF-α等促炎因子表達(dá)，同時(shí)增強(qiáng)IL-10抗炎因子表達(dá)，并促進(jìn)CD31和α-SMA相關(guān)的血管生成。巨噬細(xì)胞極化分析表明，SPVA-AC組顯著促進(jìn)M2型（Arg-1和CD206）巨噬細(xì)胞極化，減少M(fèi)1型（iNOS）巨噬細(xì)胞，展現(xiàn)了優(yōu)異的免疫調(diào)控功能。

圖4 （a）大鼠模型腹壁缺損及植入PP補(bǔ)片、PCO補(bǔ)片、PVA水凝膠和SPVA-AC水凝膠前后的數(shù)碼照片。（b）術(shù)后第10天不同處理組腹壁缺損處內(nèi)臟粘連形成的數(shù)碼照片。（c，d）不同處理組術(shù)后第10天的HE染色（c）和Masson染色（d）圖像。比例尺：圖a、b為1 cm，圖c、d為100 μm。

圖5 （a）不同處理組IL-6、IL-1β、TNF-α和IL-10的免疫組化染色。（b，c）IL-6（b）和IL-10（c）的定量分析。（d）不同處理組α-SMA和CD31的免疫組化染色。（e）不同處理組血管數(shù)量的定量分析。比例尺：圖a、d為100 μm。數(shù)據(jù)以平均值±標(biāo)準(zhǔn)差表示（n = 3個(gè)獨(dú)立樣本；數(shù)據(jù)采用單因素方差分析；p < 0.05，p < 0.01，p < 0.001）。

圖6 植入PP補(bǔ)片、PCO補(bǔ)片、PVA水凝膠和SPVA-AC水凝膠后第10天的iNOS/CD68、Arg-1/CD68和CD206的代表性圖像。比例尺：50 μm。

這項(xiàng)研究成功開發(fā)了一種超結(jié)構(gòu)SPVA-AC水凝膠，通過(guò)將AC簡(jiǎn)便地引入PVA基質(zhì)，實(shí)現(xiàn)了分級(jí)多孔結(jié)構(gòu)、力學(xué)穩(wěn)定性、免疫調(diào)節(jié)和促愈合功能的協(xié)同整合。AC作為多功能組分，不僅通過(guò)氫鍵、疏水相互作用和機(jī)械互鎖增強(qiáng)水凝膠網(wǎng)絡(luò)，還構(gòu)建了利于細(xì)胞浸潤(rùn)和營(yíng)養(yǎng)運(yùn)輸?shù)姆旨?jí)孔結(jié)構(gòu)。更重要的是，AC通過(guò)高效清除ROS和吸附炎癥因子，顯著增強(qiáng)水凝膠的抗氧化和抗炎性能，通過(guò)促進(jìn)M2型巨噬細(xì)胞極化構(gòu)建再生微環(huán)境，加速組織愈合。SPVA-AC水凝膠在體內(nèi)表現(xiàn)出長(zhǎng)期力學(xué)穩(wěn)定性、最小溶脹和加速組織愈合的優(yōu)異性能，超越了傳統(tǒng)PP和PCO補(bǔ)片及純PVA水凝膠。值得注意的是，這些多功能特性是通過(guò)簡(jiǎn)便可擴(kuò)展的制備路線實(shí)現(xiàn)的，無(wú)需復(fù)雜的化學(xué)修飾或復(fù)合策略。該工作為開發(fā)適用于軟組織修復(fù)和再生醫(yī)學(xué)的高性能生物材料提供了新的概念和實(shí)踐框架。