NSR | “四位一体”新型有机无机杂化单元，助力高性能生物医用材料设计

研究背景：打破单一功能设计的局限

传统纳米杂化材料在功能性与生物安全性之间存在明显的拮抗关系：一方面，为了提升材料的力学强度或环境稳定性，往往会抑制无机组分的活性位点暴露，从而削弱其生物催化效能；另一方面，单纯通过增加无机负载量来追求高催化活性，又会不可避免地诱发显著的细胞毒性。此外，常规类酶材料在动态生理微环境（如肿瘤或炎症部位）中极易失活，pH适应性较窄。

针对上述瓶颈，研究团队受此前朱美芳院士提出的介观尺度有机-无机杂化界面构建策略的启发，利用多种来源的天然生物大分子（如HAMA、AlgMA、GelMA）构建了在微观尺度具有稳定界面的杂化单元。

图1 基于天然高分子的有机无机杂化单元设计及功能示意图

核心突破：引入“链滴模型”揭示微观结构

研究团队建立了一套涵盖同步辐射小角 X 射线散射（SAXS）、红外原子力显微镜（IR-AFM）及高分辨透射电镜（TEM）的综合表征范式。

1. Blob Model（链滴模型）：首次引入经典聚合物“链滴模型”来定量描述杂化过程对聚合物链刚柔性和分形维度的影响。

2. 理化性能转变：实验证明，由于高分子量的生物大分子链段较长且金属含量占比低，这些杂化单元展现出更接近于聚合物而非传统纳米粒子的理化特性。

图2 杂化单元与生物大分子前体的同步辐射 SAXS 表征及链滴模型分析

性能优势：协同优化的力学与催化功能

1. 力学调控： 杂化单元作为交联点，显著提升了水凝胶的力学强度。其中，Pt@HAMA纳米杂化水凝胶的杨氏模量比对照水凝胶提升了约 5.7 倍。

2. 广域pH耐受性： 突破了传统纳米材料类酶活性pH窗口限制，该杂化单元在pH 4.0-8.0的宽生理范围内均能保持高水平的多种类酶活性。

应用范式：从蛋白生产到类器官保护

依托杂化单元卓越的生物力学匹配与自适应催化功能，团队展示了其在多个前沿领域的应用潜力：

1. 蛋白质表达技术提升： 该杂化水凝胶能通过模拟物理微环境诱导细胞形成多细胞球，并将微环境中的ROS转化为氧气，实现在无需主动供氧的前提下缓解水凝胶内细胞的乏氧状态，提高细胞有氧呼吸。实验显示，其合成高质量 PD-L1 蛋白的效率比传统方法提升了近一个数量级。
2. 皮肤类器官保护：在高浓度过氧化氢刺激下，杂化水凝胶能有效降低ROS对类器官的损伤，显著提升了皮肤类器官的存活率。
3. 先进构造手段适配：成功将杂化单元应用于高性能水凝胶光纤的拉制，以及复杂组织结构（如肝小叶单元）的3D生物打印。

图3 纳米杂化水凝胶对 H₂O₂诱导损伤皮肤类器官的保护效应及细胞与对杂化凝胶力学性能和溶解氧的影响。

总结与展望

该研究提出了有机-无机杂化单元的构建新策略，系统分析杂化单元的多级结构，成功将生物安全、力学匹配、催化功能与生理兼容性融为一体。这不仅为开发多功能仿生材料建立了新范式，也为再生医学、类器官培养及蛋白质工程提供了强有力的材料平台。