什么是纤维蛋白水凝胶？
纤维蛋白水凝胶是一种天然的、以蛋白质为基础的生物材料，由纤维蛋白形成，而纤维蛋白是血液凝固过程中产生的一种不溶性聚合物。 纤维蛋白源自纤维蛋白原，后者是一种血浆糖蛋白，由三对多肽链组成，经酶促活化后可组装成纤维状网络。在生理条件下，纤维蛋白的形成是由凝血酶介导的纤维蛋白原裂解触发的，该过程会暴露聚合位点，从而驱动其自发组装成一种水合的多孔基质。
纤维蛋白可来源于自体血浆、混合同种异体血浆或商业纯化纤维蛋白原制剂。 水凝胶的形成通常涉及将纤维蛋白原与凝血酶和钙离子混合，从而导致快速原位凝胶化。由于纤维蛋白是伤口愈合过程中临时细胞外基质的天然成分，纤维蛋白水凝胶能够密切模拟早期组织微环境，并支持动态的细胞-基质相互作用。
纤维蛋白水凝胶的主要特性
理化特性
纤维蛋白水凝胶的形成受酶促聚合及其后的网络稳定化过程的调控：
- 凝胶化机制： 凝血酶将纤维蛋白肽从纤维蛋白原中裂解出来，从而使纤维蛋白单体自组装成原纤维和纤维。
- 网络稳定化： 第十三因子a催化纤维蛋白链之间的共价交联，从而增强其结构完整性。
- 交联策略：
- 通过第XIIIa因子进行的酶促交联。
- 使用如吉尼平等剂进行的化学交联。
- 与合成或天然聚合物形成复合材料，以提高稳定性。
环境因素： 纤维蛋白原浓度、凝血酶活性、钙离子浓度、pH值和温度都会影响纤维厚度、孔径以及凝胶化动力学。
这些参数可对纤维蛋白水凝胶的结构进行精确调节，以满足特定的生物学和力学要求。
力学性能
纤维蛋白水凝胶具有机械柔软性和粘弹性，这体现了它们作为组织愈合过程中临时基质的作用。与承重组织相比，其刚度通常较低，但对配方参数极为敏感。
- 弹性模量随纤维蛋白原浓度的升高和交联密度的增加而增大。
- 纤维结构和网络孔隙率对应力松弛和应变增刚行为具有显著影响。
- 由于纤溶酶和基质金属蛋白酶介导的酶解降解，力学性能会随时间变化。
- 除非通过交联或复合材料设计加以稳定，否则快速降解会导致材料逐渐软化并丧失结构支撑能力。
这种动态的机械特性使纤维蛋白非常适合需要渐进式基质重塑的应用场景。
生物相互作用
纤维蛋白水凝胶由于其固有的生化信号而表现出很强的生物活性：
- 通过整合素结合基序促进强效的细胞黏附。
- 促进细胞迁移、增殖和基质重塑。
- 具有较高的生物相容性和较低的免疫原性，尤其是源自自体来源时。
- 经历细胞介导的酶解降解，从而实现可控的组织生长和替换。
纤维蛋白还可以通过生物活性肽或生长因子结合域进行功能化修饰，以进一步调节细胞反应。
纤维蛋白水凝胶的应用
组织工程
纤维蛋白水凝胶被广泛用作软组织和结缔组织再生的支架。其可注射性、细胞相容性和可降解性使其能够应用于皮肤、软骨、骨骼、心脏、血管、神经和肌腱组织工程领域。纤维蛋白既可单独使用，也可与增强材料结合使用，以达到针对特定应用所需的力学性能。
3D细胞培养与疾病模型
在体外，纤维蛋白水凝胶提供了一种能够密切模拟早期细胞外基质的三维微环境。它们能够实现均匀的细胞包封，支持类组织结构的形成，并允许在与生理相关的力学条件下研究细胞驱动的基质重塑、血管生成以及疾病进展。
药物、基因与细胞递送
纤维蛋白水凝胶是输送细胞、生长因子和治疗药物的有效平台。其可经酶降解的特性使其能够实现局部、响应细胞需求的释放，而其粘附性则有助于其在注射或植入后在靶向部位保持稳定。
为什么纤维蛋白水凝胶的粘弹性很重要
纤维蛋白水凝胶的粘弹性行为对其生物功能至关重要。 应力松弛、随时间变化的刚度变化以及降解介导的软化，都会影响细胞铺展、迁移、分化以及基质沉积。由于纤维蛋白在体内充当暂时的支架，其不断变化的粘弹性特性能够协调机械支撑与渐进式组织形成，因此，准确的力学表征对于预测性设计至关重要。
表征纤维蛋白水凝胶粘弹性的方法
纤维蛋白水凝胶的力学性能通常通过流变测定、压缩试验和拉伸试验进行评估。虽然这些方法能提供有价值的整体性质数据，但往往需要对样品进行破坏性处理，对极软的水凝胶灵敏度不足，且难以进行纵向监测。此外，传统技术可能会破坏无菌性，或无法捕捉快速凝胶化动力学过程及早期液-凝胶相变。
ElastoSens™ Bio：一种用于测量软性纤维蛋白水凝胶的无损检测工具
该 ElastoSens™ Bio 是一款 一款专门针对纤维蛋白水凝胶等柔软、水合生物材料的无损机械测试平台。该平台通过温和的非接触式激励来测量粘弹性特性，在整个测试过程中都能保持样品的完整性。
主要优势包括：
- 针对低刚度水凝胶，具有高灵敏度和高重复性。
- 对凝胶化动力学进行实时监测，包括液-凝胶相变和最终刚度。
- 对同一样本进行长期纵向测试，以追踪其降解或重塑情况。
- 与无菌操作流程及含细胞构建体的兼容性。
通过实现连续、无创的力学表征，ElastoSens™ Bio 有助于更深入地了解纤维蛋白水凝胶在制备、培养和功能应用过程中的行为特性。
结论与展望
纤维蛋白水凝胶的力学行为——受酶促聚合、网络结构和快速降解的影响——对其作为组织修复和工程系统中临时基质的作用至关重要。作为一种柔软、高粘弹性且动态演变的材料，纤维蛋白水凝胶需要采用能够保持其结构和无菌性的力学表征方法。
- 专为软水凝胶设计的无损检测技术，可在不破坏脆弱的纤维蛋白网络的情况下进行测试。
- 高灵敏度和高重复性确保了对低刚度纤维蛋白基质的可靠测量。
- 实时监测可记录凝胶化动力学、液-凝胶相变以及最终刚度。
- 对同一样本进行纵向测试，可在无菌条件下追踪其降解和重塑过程。
- 当纤维蛋白与光交联组分结合时，可利用光激发模块。
这些能力相结合，有助于更深入地了解纤维蛋白的结构与性能关系，并提高研究和转化应用中的可重复性。
参考文献
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Roberts, I. V., Bukhary, D., Valdivieso, C. Y. L., & Tirelli, N. (2020). Fibrin matrices as (injectable) biomaterials: formation, clinical use, and molecular engineering. Macromolecular bioscience, 20(1), 1900283.
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