研究背景

粉碎性骨折因骨碎片多、复位困难，传统金属内固定手术效果有限，而现有骨粘合剂难以在动态湿润的承重部位同时实现高粘附力、机械强度及骨诱导活性。商用氰基丙烯酸酯（CA）粘合剂虽强度高，但存在不可降解、脆性及毒性问题，限制了临床应用。开发兼具即时固定与长效骨修复功能的骨粘合剂是领域内重大挑战。

核心思路与材料设计

华东理工大学刘昌胜院士、袁媛教授团队受海胆结构启发，提出“均质硬-软双相骨粘合剂”（HB-PTN）设计策略（图1）。硬相由磷酸化聚谷氨酸（P-PGA）包裹磷酸四钙（TTCP）构成，模仿海胆矿化棘刺；软相为氨基功能化聚癸二酸甘油酯（PEGS-NH₂）与P-PGA形成的粘弹性水凝胶。双相通过共价交联形成均一网络，避免了传统有机-无机复合材料中颗粒团聚和应力裂纹问题。

图 1.使用 HB-PTN 可注射骨粘合剂增强粉碎性骨折愈合示意图。

材料制备与表征

研究团队通过两步法合成关键组分（图2）：

1.PEGS-NH₂合成：聚乙二醇化聚癸二酸甘油酯经酯化及酸解保护获得，¹H NMR与FTIR证实氨基成功修饰（新峰位于8.34 ppm与1520 cm⁻¹）。

2.P-PGA合成：聚谷氨酸（PGA）磷酸化修饰，³¹P-NMR与FTIR显示磷酸基团特征峰（956 cm⁻¹）。

3.硬相构建：球磨纳米化TTCP（100–200 nm）与10% P-PGA溶液复合，TEM与zeta电位（-50 mV）证实P-PGA均匀包覆TTCP。荧光标记显示双相纳米尺度均一分散（图2K），避免无机相聚集。

图 2.HB-PTN 水凝胶的制备和表征。

突出性能

1.可注射性与操作便捷性（图3）：

·凝胶时间20–60秒，可注入复杂骨折部位（如大鼠胫骨模型），固化过程几乎不产热，避免组织烫伤。

·微观结构显示TTCP均匀分布（EDS钙磷元素映射均一）。

图 3.PTN 水凝胶的机械性能表征。

2.力学性能与抗疲劳性（图3–4）：

·双相协同提升机械强度：PTN-2压缩模量≈1.02 MPa，韧性达300 kJ/m³，优于纯有机相（PN）。

·抗循环压缩：100次压缩后PTN-2保持94.1%强度（PTN-3仅21.5%）。

·体液环境稳定性：模拟体液（SBF）浸泡后，PTN-2溶胀率仅130%，机械强度保留102%（PN显著下降），归因于双相网络中TTCP转化为纳米针状羟基磷灰石（HA）并原位矿化（图4G–H）。

图 4.保持 PTN 水凝胶的机械性能及其抗溶胀性能。

3.高骨粘附力与界面适应性（图5）：

·湿态骨粘接强度：PTN-2达到269.7 kPa（搭接剪切）与206.0 kPa（端端粘接），与CA相当（295.0 kPa），远超文献报道值（图5E）。

·长期稳定性：SBF浸泡14天后粘接强度无衰减，因磷酸基团与骨钙离子持续静电作用。

·软组织选择性粘附：PTN对皮肤粘附力（约35 kPa）显著低于CA（101.3 kPa），减少术中误粘。

图 5.PTN 骨粘合剂粘合性能的表征。

4.生物相容性与骨修复效果（图6–8）：

体外：促进骨髓间充质干细胞增殖，ALP活性与钙结节形成量显著提升，证实成骨活性。

体内：

· 降解匹配：PTN-2在4周降解约50%，与骨生长速率同步；CA 6周后残留>90%。

·粉碎性骨折修复（大鼠胫骨模型）：

√微CT显示PTN组骨碎片复位良好，8周时骨体积分数（BV/TV=65.12%）显著高于空白组（53.58%）与CA组（33.04%）。

√三点弯曲试验：PTN组最大载荷随修复时间递增（4周至8周提升约2倍），力学功能恢复最优。

√ 组织学：H&E与Masson染色显示PTN组胶原沉积丰富，骨钙素（OCN）高表达，8周时骨折线基本消失（图8）。

图 6.不同胶粘剂的生物降解性和生物相容性。

图 7.胫骨骨折模型大鼠粘合剂引导固定和愈合的评价。

图 8.骨折愈合的组织学评估。

展望

该仿生双相粘合剂通过微相分离策略整合了高粘接、抗疲劳、抗溶胀及成骨活性，为粉碎性骨折提供了无需金属固定的新型治疗方案。团队指出，该设计策略可拓展至其他生物材料开发，推动骨粘合剂的临床转化。

来源：高分子科学前沿

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