长沙市妇幼保健院毛增辉教授联合湖南大学施李杨教授开发新型富血小板血(PRP)技术改善子宫内膜损伤

 b 中国湖南省区域性遗传性出生缺陷预防与控制省级重点实验室，湖南师范大学附属长沙妇幼保健院，长沙，410007；

 c 长沙康思宁生物技术有限公司，长沙，410203； d comsats大学生物医学材料跨学科研究中心，拉合尔校区，拉合尔，54000，巴基斯坦

在这项研究中，研究者受昆虫外骨骼硬化过程的启发，开发了一种新型的、稳定的富血小板血浆双网络水凝胶（PEG@PRPG）。该水凝胶通过整合多巴胺修饰的四臂聚乙二醇、漆酶以及钙离子/凝血酶，构建了一个共价强化的双网络结构，其中儿茶酚氧化为醌的共价交联显著增强了材料的机械强度和结构稳定性。体外实验证实，该水凝胶能控制蛋白的缓释，具有良好的生物相容性，并能有效支持成纤维细胞和内皮细胞的增殖与迁移。在大鼠皮肤和子宫内膜损伤模型中，PEG@PRPG水凝胶显著促进了组织再生和功能修复，有效克服了传统PRP材料降解快、生物活性分子突释和损伤部位滞留性差等临床局限。这项基于仿生交联策略的技术为稳定PRP基材料提供了优异的平台，并为再生医学领域的下一代疗法提供了有前景的策略。

图1.受昆虫骨骼系统启发的水凝胶设计示意图及其在组织再生中的应用。(a) 苯酚类化合物与昆虫骨骼系统中蛋白质的偶联机制。(b) 用于大鼠皮肤及子宫内膜损伤移植治疗的PEG@PRP水凝胶的制备方法。

研究背景

富血小板血浆（PRP）的临床应用价值与固有局限

富血小板血浆（PRP）是一种通过离心浓缩血小板而获得的血液衍生生物材料，其血小板浓度至少是生理基线的两倍。PRP富含多种生长因子，在再生医学中已成为一种用途广泛且应用普遍的治疗剂。它在骨骼、肌肉、皮肤等多种组织的修复中展现出巨大潜力，尤其对治疗慢性或难愈性伤口效果显著。PRP被激活后，血小板会释放一系列生物活性分子，刺激细胞增殖、迁移、血管生成和细胞外基质合成，从而加速组织修复。此外，PRP还具有固有的抗菌活性，这归因于白细胞和血小板释放的生物活性分子。作为一种微创且安全的治疗选择，PRP因此在广泛的伤口愈合应用中获得了广泛的临床采用。

然而，尽管优势明显，天然PRP存在几个固有的局限性，严重制约了其临床应用：（i）快速降解：PRP凝胶结构脆弱，在生理环境中不稳定；（ii）生物活性分子不可控的突释：大量生长因子在短时间内快速释放，无法提供持续的治疗刺激；（iii）在损伤部位保留不足：凝胶难以在复杂或长期的组织修复场景中稳定驻留。这些缺点降低了其治疗效果。为了克服这些挑战，研究人员尝试将PRP与水凝胶基质结合，以改善其稳定性、机械完整性和缓释行为。例如，已有研究构建了PRP与海藻酸盐的Ca²⁺交联互穿网络，或在PRP复合水凝胶中引入希夫碱化学交联形成三重网络结构。尽管如此，探索替代性交联化学以进一步增强PRP水凝胶稳定性和功能性的创新设计仍然相对有限。

仿生交联策略的灵感来源与本研究设计

自然界为生物材料工程提供了许多高效交联策略的范例，其中最引人注目的之一是昆虫外骨骼的硬化过程。昆虫蜕皮后，新形成的角质层最初柔软苍白，但通过醌鞣制过程，在数小时内迅速硬化变黑。这一转变由酚类物质氧化成醌驱动，醌作为生物交联剂，共价桥接蛋白质和几丁质。亲核侧链（尤其是组氨酸的咪唑基和赖氨酸的ε-氨基）与醌环的共轭碳原子发生亲核加成，形成稳定的C-N共价键，从而产生致密的儿茶酚驱动网络，赋予材料高机械强度和结构耐久性。在许多昆虫中，多铜氧化酶（如漆酶）催化这一氧化过程，仅产生水作为副产物。这种自然进化而来的交联机制为设计具有增强稳定性和功能性能的稳健生物材料提供了宝贵的灵感。

受昆虫外骨骼硬化过程的启发，本研究开发了一种新型双网络PRP基水凝胶（PEG@PRPG）。该策略将DOPA修饰的四臂聚乙二醇（4-ArmPEG-DA）掺入PRP中，并利用漆酶与Ca²⁺/凝血酶共同交联，形成共价双网络基质。儿茶酚基团氧化为邻醌，能够与PRP中天然存在的咪唑和氨基残基发生快速共价反应，从而增强水凝胶结构，显著提高其机械稳定性和蛋白质释放特性。漆酶通过强效的儿茶酚氧化进一步提高了交联效率。这种仿生交联方法为解决传统PRP制剂的关键局限性提供了一个强大而通用的平台。

研究发现

本研究开发了一种受昆虫外骨骼几丁质化过程启发的双网络水凝胶（PEG@PRPG），通过将4-ArmPEG-DA和漆酶引入富血小板血浆（PRP）水凝胶中构建而成。研究证实，漆酶催化儿茶酚氧化为醌，进而与PRP中的蛋白质发生交联，形成稳定的双网络结构。与传统的PRP水凝胶（PRPG）相比，PEG@PRPG在机械性能上显著提升：其储能模量（G′）提高了一个数量级（约1500 Pa vs. 40 Pa），压缩强度增至约44 kPa（PRPG为11 kPa），并在PBS中表现出优异的稳定性（7天未崩解）。此外，该水凝胶具有优异的溶胀性能（3小时内溶胀约200%）和持续释放蛋白的能力，能够缓慢释放VEGF、EGF和PDGF等生长因子，同时保留了儿茶酚基团，使其对多种大鼠器官表现出良好的湿态粘附性。

图2. PRPG 与PEG@ PRPG 的表征结果。(a) PRPG 和PEG@ PRPG 在37°C的1×PBS溶液中孵育后的代表性数码照片。比例尺：1厘米。(b) PRPG 和PEG@ PRPG 在48小时内的溶胀率变化。(c) 用于力学评估的流变测试装置示意图。(d) 频率扫描曲线（0.1–1 Hz），显示 PRPG 和PEG@ PRPG 的储能模量（G′）与损耗模量（G″）。(e) 应变扫描测量结果（0.01–10%），揭示水凝胶的应变依赖性粘弹性行为。(f) 冻干 PRPG 和PEG@ PRPG 的SEM图像，展示其微观结构差异。比例尺：50 μm 。(g) 动态条件（100 rpm）下 PRPG 和PEG@ PRPG 的总蛋白释放曲线（n = 3）。(h) PRPG 和PEG@ PRPG 在0小时与4小时的蛋白释放量定量结果（n = 3）。(i) VEGF ；(j) EGF ；(k) PDGF ； PRPG 和PEG@ PRPG 的释放曲线（n = 3）。*P ≤ 0.05。

图3.使用PEG@ PRPG 进行子宫内膜再生的体内评估。(a)手术流程示意图，包括乙醇诱导的子宫内膜损伤及后续采用PBS、 PRPG 或PEG@ PRPG 进行治疗。(b)假手术组（正常）子宫内膜与经PBS、 PRPG 或PEG@ PRPG 处理的损伤组织的代表性H&E染色图像。比例尺：1000 μm（概览图）和400 μm（放大图）。(c)各组子宫内膜厚度定量结果（n = 3）。(d)各组子宫内膜腺体数量定量结果（n = 3）。(e)Masson三色染色显示子宫组织中胶原分布情况。比例尺：1000 μm（概览图）和200 μm（放大图）。(f)胶原沉积面积定量结果（n = 3）。*P ≤ 0.05，**P ≤ 0.01，***P ≤ 0.001。

在生物学功能方面，PEG@PRPG展现出良好的血液相容性和细胞相容性，能显著促进NIH3T3成纤维细胞和HUVECs的增殖与迁移。在大鼠全层皮肤缺损模型中，PEG@PRPG治疗组在19天内伤口愈合率显著提高（剩余伤口面积降至2.32%），疤痕长度更短（平均2043.6 μm），且胶原沉积更密集、排列更有序。在大鼠子宫内膜损伤模型中，PEG@PRPG能有效促进子宫内膜再生，恢复其厚度（平均702.99 μm）和腺体数量（平均13个），并显著抑制胶原过度沉积，减轻纤维化。这些结果表明，PEG@PRPG通过增强的机械稳定性、生长因子缓释能力和组织粘附性，在皮肤和子宫内膜再生中均表现出优越的治疗潜力。

临床意义

本研究开发了一种新型的、受昆虫外骨骼几丁质化过程启发的双网络富血小板血浆（PRP）水凝胶（PEG@PRPG）。该水凝胶通过引入4-ArmPEG-DA和漆酶，显著增强了传统PRP水凝胶（PRPG）的机械性能和稳定性。在体外，PEG@PRPG展现出优异的力学强度（储能模量提升约37倍）、抗疲劳性、溶胀能力和湿态组织粘附性。更重要的是，其双网络结构实现了对PRP中总蛋白及关键生长因子（VEGF、EGF、PDGF）的持续、可控释放，而非传统PRPG的快速“爆释”。该水凝胶具有良好的血液相容性和细胞相容性，并能有效促进成纤维细胞和内皮细胞的增殖与迁移。

在体内，该水凝胶在两种动物模型中均表现出卓越的修复效果。在大鼠全层皮肤缺损模型中，PEG@PRPG治疗组的伤口愈合速度最快，愈合后瘢痕长度最短，且新生组织中胶原沉积更丰富、排列更有序。在大鼠子宫内膜损伤模型中，PEG@PRPG治疗不仅最有效地恢复了子宫内膜的厚度和腺体数量，还显著抑制了过度的胶原沉积（纤维化），这对于恢复子宫内膜容受性和正常功能至关重要。综上所述，这项研究不仅提供了一种性能显著优化的新型PRP水凝胶制备策略，更通过皮肤和子宫内膜修复模型，有力证明了其在促进高质量组织再生（加速愈合、改善结构、减少纤维化）方面的巨大临床转化潜力，为复杂创面及组织损伤修复提供了新的治疗工具。

主要结论

这篇论文开发了一种基于昆虫外骨骼仿生交联策略的新型富血小板血浆双网络水凝胶，旨在解决传统PRP材料临床应用中的关键瓶颈。

主要结论一：成功构建了具有优异稳定性和可控释放性能的新型PRP水凝胶。 研究团队受昆虫外骨骼硬化过程的启发，将多巴胺修饰的四臂聚乙二醇、漆酶与Ca²⁺/凝血酶共同引入PRP，通过“儿茶酚-醌”氧化交联反应，构建了共价强化的双网络水凝胶。该水凝胶显著克服了传统PRP凝胶机械强度弱、降解过快、生物活性分子突释等缺陷。实验证实，这种新型水凝胶具有更优的机械稳定性、更持久的蛋白（如VEGF、EGF、PDGF）缓释能力，以及良好的细胞相容性，能有效支持成纤维细胞和内皮细胞的增殖与迁移。

主要结论二：新型水凝胶在体内模型中展现出卓越的组织修复与再生功效。 在大鼠皮肤全层缺损和子宫内膜损伤模型中，该仿生双网络水凝胶均表现出显著的治疗优势。在皮肤修复方面，它加速了伤口愈合，减少了疤痕长度，并促进了更有序的胶原沉积。在子宫内膜修复中，它有效增加了子宫内膜厚度和腺体数量，同时减少了异常胶原沉积（纤维化），从而促进了功能性子宫内膜的再生。这些结果共同表明，该技术为稳定PRP基材料提供了一个高效平台，在再生医学领域具有广阔的临床应用前景。