本文属于类型a，是一篇原创研究报告。以下是对该研究的学术报告：

一、研究作者、机构与发表信息

本研究由Javiera Sanhueza Ortega、Kirthen Shanmuganathan、Laura Poole-Warren、Susann Beier和Ulises Aregueta Robles共同完成。第一作者与通讯作者分别隶属于新南威尔士大学（University of New South Wales, UNSW Sydney）的生物医学工程学院和机械与制造工程学院。该研究于2026年1月5日投稿，2026年4月25日修订，2026年4月30日被接收，最终发表在Advanced Healthcare Materials期刊上，卷号为15，文章编号e00010，DOI为10.1002/adhm.202600010。

二、研究背景与目的

心血管疾病是全球范围内导致死亡的主要原因，研究动脉生理、病理及再生机制迫切需要能够更真实再现人体动脉环境的体外平台。动物模型和计算模型在血管研究中各有贡献，但均难以完整复现活体人体动脉的动态、生物与力学环境。体外平台因其伦理性、可控性和高效性，成为研究疾病机制、评估治疗手段及实现个性化治疗策略的重要路径。然而，现有体外动脉模型在实现动脉样拉伸强度、力学各向异性（anisotropy）、灌注培养稳定性和细胞相容性（cytocompatibility）方面仍面临关键挑战。

聚乙烯醇（poly(vinyl alcohol), PVA）水凝胶因力学性能可调、生物相容性高且能模拟天然细胞外基质而受到关注。特别是结合定向冷冻（directional freezing）和盐析（salting-out）技术制备的PVA水凝胶（PVA DFSO）能够形成坚韧且各向异性的网络，弹性模量可达2.5 MPa，拉伸强度超过10 MPa，各向异性比（anisotropic ratio, AR）可达1.68–8.27。然而，传统DFSO水凝胶仅依赖物理交联，在水性环境中会重新溶解，无法满足细胞培养的稳定性要求，且力学性能重复性差。

为解决上述问题，本研究提出将甲基丙烯酰化聚乙烯醇（methacrylated PVA, PVA-MA）与DFSO工艺整合，通过紫外光引发共价交联来增强水凝胶的力学性能和理化稳定性。研究旨在通过物理与化学双重增强策略，在单一水凝胶平台中同时实现细胞培养相容性、灭菌稳定性和生理相关的力学性能。

三、研究流程与实验方法

研究流程可分为以下几个主要环节：

1. PVA甲基丙烯酰化与材料制备。 研究使用分子量89,000–98,000、99%水解度的PVA，在无水二甲基亚砜（DMSO）中溶解后，加入2-异氰酸乙酯甲基丙烯酸酯（2-isocyanatoethyl methacrylate），理论取代度为每条PVA链7个甲基丙烯酸酯基团。产物经去离子水透析5天（10 kDa截留分子量纤维素膜）、冷冻干燥后，通过质子核磁共振（¹H NMR）确认甲基丙烯酰化成功，取代度约为每条链7–8个基团。

2. 水凝胶的定向冷冻、盐析与紫外交联。 将10 wt.%的PVA或PVA-MA溶液浇铸到聚二甲基硅氧烷（PDMS）模具中，在−80°C的乙醇浴中进行定向冷冻1小时。随后将冷冻样品浸泡于1.5 M柠檬酸钠（sodium citrate）溶液中4天进行盐析。研究比较了两种紫外光交联路线：一是在盐析前进行紫外聚合（UVBSO），二是在盐析后进行紫外聚合（UVASO）。紫外光波长为320–395 nm，强度30 mW/cm²，每面照射3分钟。光引发剂为Irgacure 2959，含量为0.05 wt.%。

3. 力学性能表征。 将水凝胶片切割成符合ISO 527-1标准的哑铃形试样，分别沿平行（‖）和垂直（⊥）于冷冻方向进行单轴拉伸测试。测试在37°C的磷酸盐缓冲液中进行，拉伸速率为1 mm/min。从应力-应变曲线的0–20%应变区间线性回归计算杨氏模量（Young’s modulus），并测定极限拉伸强度（ultimate tensile strength, UTS）。各向异性比由平行模量与垂直模量之比（E‖/E⊥）计算。每组独立实验重复3次，每次3个技术重复。

4. 溶胀、质量损失与含水量分析。 将水凝胶制成直径5 mm、厚2–3 mm的圆柱试样，在37°C磷酸盐缓冲液中孵育1、3、8天。每个时间点使用独立样本进行非累积性测量。体积溶胀比（volumetric swelling ratio, Q）通过质量溶胀比换算，质量损失通过初始干重与孵育后冻干干重的差异计算。含水量在孵育24小时后测定。

5. 光引发剂保留率测定。 在UVASO工艺的两个关键节点（定向冷冻后和盐析后）取样，通过测量279 nm处紫外吸光度来定量Irgacure 2959在凝胶内的保留率。盐析后浓度根据体积收缩比（Va/Vb = 0.3750）校正。

6. 灭菌稳定性测试。 通过高压蒸汽灭菌（121°C、15 psi、饱和蒸汽）对水凝胶进行加速稳定性和灭菌兼容性评估。测量灭菌前后质量变化，并对UVASO灭菌后（UVASO AS）的试样进行拉伸力学测试，以评估灭菌对网络完整性和各向异性的影响。

7. 管状构建体制备与细胞相容性评价。 将UVASO水凝胶片卷绕在直径3 mm的芯轴上，用氰基丙烯酸酯胶粘合端部形成管状结构。在平面和管状UVASO表面涂覆2 wt.%甲基丙烯酰化明胶（GelMA）涂层（含0.05 wt.% Irgacure 2959）并进行紫外交联，以促进细胞粘附。内皮细胞实验采用PVA-MA/GelMA共混涂层（10:3 wt.%）。细胞相容性使用L929成纤维细胞（接种密度2×10⁵ cells/cm²，培养24小时）和原代人脐静脉内皮细胞（HUVECs，第7代，接种密度1.3×10⁵ cells/cm²，培养72小时）进行评估，通过Calcein-AM/碘化丙啶（live/dead）染色和共聚焦显微镜观察细胞粘附、形态与活性。

8. 统计分析。 使用线性混合效应模型分析制备方法和冷冻方向对UTS及杨氏模量的影响。溶胀和质量损失数据采用双因素方差分析（two-way ANOVA）和Tukey-Kramer事后检验。显著性水平设定为p < 0.05。

四、主要研究结果

1. 传统DFSO PVA水凝胶的力学不一致性。 受控冷冻（controlled freezing, CF）和快速冷冻（fast freezing, FF）两种方案制备的PVA DFSO水凝胶应力-应变行为高度变异。CF条件下平行方向UTS范围为0.6–1.2 MPa，垂直方向为0.1–0.7 MPa；FF条件下平行方向为0.2–1.1 MPa，垂直方向为0.07–0.3 MPa。断裂伸长率同样异质性较大。然而，杨氏模量分析显示出一致的各向异性趋势：两种冷冻方式下平行方向模量约为150 kPa，垂直方向显著较低（约80–100 kPa，p < 0.05），确认了方向依赖性。这些结果表明，尽管物理交联的DFSO PVA凝胶在不需严格控制冷冻速率的情况下即可呈现力学各向异性，但其整体刚度仅处于动脉壁生理范围的下限附近，且在水性环境中不能保持结构稳定，无法适用于细胞培养。

2. 甲基丙烯酰化与紫外交联对力学性能的影响。 UVBSO路线（盐析前交联）显著削弱了力学性能：UTS约为125 kPa（平行）和32 kPa（垂直），杨氏模量约为50 kPa和14 kPa，均低于PVA DFSO对照（UTS约652 kPa平行、131 kPa垂直；模量约151 kPa平行、81 kPa垂直）。这说明过早的共价交联阻碍了物理网络的形成。相比之下，UVASO路线（盐析后交联）产生了力学性能最强的构建体：平行方向UTS约为760 kPa，垂直方向约为200.6 kPa；杨氏模量分别约为378.6 kPa和126.4 kPa，较物理交联DFSO提高了约2.5倍，且平行模量显著高于UVBSO组（p < 0.0001）。UVASO的各向异性比约为3.26，其力学性能完全落在人体动脉的生理范围内。

3. 溶胀、质量损失与含水量。 在37°C磷酸盐缓冲液中孵育期间，UVASO在第3天和第8天的体积溶胀比显著低于PVA DFSO和未紫外交联的PVA-MA DFSO（p ≤ 0.026），表明化学增强降低了溶胀。各组凝胶在第1天至第8天的溶胀比保持稳定（p ≥ 0.17），未见时间依赖性变化。质量损失在第3天和第8天与第1天相当，说明大部分未反应的聚合物在第1天已析出。孵育24小时后所有凝胶含水量均约为75%–78%，组间无显著差异。

4. 光引发剂保留率。 定向冷冻后Irgacure 2959保留率接近完全（98.88%），盐析后下降至76.36%（经收缩体积校正），两节点间减少22.52个百分点（p < 0.0001）。值得注意的是，尽管盐析导致部分光引发剂损失，UVASO仍能形成更刚硬且更耐溶胀的网络，表明高光引发剂保留并非有效增强网络的必要条件。

5. 灭菌稳定性。 仅物理交联的PVA DFSO和未紫外交联的PVA-MA DFSO在蒸汽灭菌后完全溶解，证明单独的物理交联不足以在高温高压下维持网络完整性。相反，UVBSO和UVASO等共价交联构建体在灭菌后保持完整。其中UVBSO出现明显溶胀和形状松弛，而UVASO保持了更清晰的结构轮廓和更小的尺寸变化。灭菌后UVASO（UVASO AS）的力学测试显示，平行方向UTS显著下降（p = 0.018），垂直方向下降接近显著（p = 0.053）。杨氏模量从灭菌前的约378.6 kPa（平行）和126.4 kPa（垂直）分别降至约43 kPa和34 kPa，平行与垂直方向模量趋于相等，各向异性基本丧失。这表明灭菌过程削弱了网络的物理域贡献，但共价网络仍维持了宏观完整性。灭菌后UVASO的溶胶分数显著降低（表明可提取聚合物含量减少）、体积溶胀比和含水量显著增加，与网络约束减少、水合增加和刚度降低的现象一致。

6. 细胞相容性。 L929成纤维细胞在涂覆2 wt.% GelMA的UVASO平面基材上24小时后成功粘附并保持活性，live/dead染色显示大量活细胞（绿色）和极少数死细胞（红色）。较薄的涂层（约50 µm）未能完全覆盖DFSO衍生的定向表面结构，而较厚涂层（数百微米）则可实现更均匀的细胞粘附。HUVECs在PVA-MA/GelMA共混涂层（10:3 wt.%）的UVASO平面上培养72小时后，呈现出紧密排列的多边形形态和典型的鹅卵石样单层结构，细胞间接触清晰，活/死染色确认了涂层对原代内皮细胞的细胞相容性。管状UVASO构建体（直径3 mm，壁厚1–2 mm，与人冠状动脉尺寸一致）内L929细胞在静态培养24小时后同样表现出粘附与活性，但由于管状几何结构在均匀接种和成像方面存在额外挑战，相关定性观察需谨慎解释。

五、结论与研究价值

本研究通过将定向冷冻、盐析与紫外介导的共价交联相结合，建立了PVA基水凝胶的混合物理化学增强策略。研究证明，交联顺序至关重要：盐析后紫外交联（UVASO）能够保留定向冷冻产生的各向异性结构，同时通过共价网络确保网络永久性。UVASO构建体的拉伸模量和强度处于人体动脉壁的生理力学范围内，并再现了动脉中膜层的方向性刚度特征。此外，UVASO在蒸汽灭菌后仍保持可操作性，克服了传统物理交联PVA水凝胶在灭菌和细胞培养条件下的不稳定性。

该研究的科学价值在于：揭示了物理自组织与共价稳定化协同增强的机制，验证了“先物理锁定、后化学固定”的工艺顺序对保留各向异性力学性能的决定性作用，并为后续微结构表征和灭菌后力学保留优化提供了明确的工程方向。应用价值方面，该平台为构建无菌、可细胞界面化且具有动脉力学特征的体外血管模型提供了可重复的制备路径，有望用于血管生物学、疾病机制研究、药物筛选和个性化治疗策略等转化应用领域。

六、研究亮点

本研究的突出亮点包括：第一，首次将甲基丙烯酰化PVA与DFSO工艺整合，实现了物理各向异性与共价稳定性的协同增强；第二，系统比较了盐析前与盐析后紫外交联两条路线，明确了交联顺序对网络结构和力学性能的决定性影响；第三，将蒸汽灭菌作为加速稳定性挑战和灭菌兼容性的评估手段，揭示了物理域在高温高压下的松弛机制；第四，展示了UVASO水凝胶在二维平面和三维管状结构中支持L929成纤维细胞及原代HUVECs粘附与生长的能力，为后续灌注培养和内皮功能研究奠定了基础；第五，尽管灭菌导致力学软化，但UVASO保持了可操作性和基本结构完整性，为后续通过提高甲基丙烯酸酯官能度或聚合物浓度来优化灭菌后性能提供了明确路径。