腹壁缺损修复是外科领域的重要临床挑战，理想的修复材料需同时满足机械支撑、免疫调节、组织再生三大核心需求，但传统材料始终无法实现三者的高效整合。近期，中山大学联合广东省人民医院等团队在该领域取得突破性进展，将医用级活性炭（AC）引入聚乙烯醇（PVA）水凝胶，构建出兼具超强力学稳定性、优异抗炎性和高效促愈合能力的 SPVA-AC 超结构多孔水凝胶，破解腹壁缺损修复材料“力学 - 孔隙 - 免疫调节” 难以兼顾的临床难题。相关研究成果发表于《Advanced Materials》，为软组织缺损修复的生物材料设计提供了全新思路。
图文速递
临床痛点：传统修复材料的“先天不足”
腹壁缺损修复依赖植入性生物材料实现功能重建，但现有材料存在难以调和的设计矛盾：
1.合成补片（如聚丙烯PP）：力学强度充足，但易引发强烈的异物反应和慢性炎症，组织再生能力差，还会导致严重的腹腔粘连；
2.抗粘连水凝胶/ 细胞外基质类材料：生物相容性好、水化微环境适宜细胞活动，但湿环境下力学耐久性差、溶胀率高，且孔隙扩大以促进细胞浸润时，会进一步降低力学强度；
3.现有复合水凝胶：多聚焦于力学增强，却忽略了填料对水凝胶整体孔隙结构的调控，且缺乏免疫调节功能，无法应对腹膜腔的污染性炎症环境。

因此，开发一款兼具长期力学稳定、抗炎抗粘连、主动促愈合的多功能修复材料，成为腹壁缺损重建领域亟待解决的临床需求。

图1. 用于腹壁缺损修复的超结构SPVA -AC水凝胶的设计与制备
核心设计：活性炭的“多功能角色” 与超结构水凝胶构建
研究团队以两亲性PVA为基底，引入医用级活性炭（AC）作为多功能填料，通过简单的冻融循环 + 刮涂工艺，构建出双层超结构多孔 SPVA-AC 水凝胶，活性炭在材料中实现了三重关键功能，从根本上破解传统材料的设计矛盾：
1. 扩孔剂：构建分级多孔结构
AC 与 PVA 间的强相互作用促使 PVA 链在 AC 周围聚集，冻融过程中形成大量 PVA 耗竭区，最终形成底层大孔隙（平均 7.4μm），为成纤维细胞浸润、营养物质运输提供通道；顶层小孔隙（平均 0.7μm）则能抑制成纤维细胞黏附，实现腹腔抗粘连。
2. 刚性交联中心：强化湿环境力学稳定性
AC 与 PVA 之间通过氢键、疏水作用、机械互锁形成牢固的界面结合，AC 作为刚性填料被稳定固定在 PVA 框架中，即便水凝胶具有大孔隙结构，仍能显著提升力学性能。
3. 免疫调节与抗氧化剂：重塑修复微环境
AC 具有超高比表面积和发达的纳米孔结构，可高效清除活性氧（ROS）、吸附炎症因子（IL-6、IL-1β 等），同时促进 M2 型巨噬细胞极化，将炎症微环境重塑为利于组织再生的修复微环境。
材料制备工艺（简单可规模化）
1.制备AC/PVA 质量比 1:10 的稳定分散液，经 1 次冻融循环（-20℃冷冻 12h + 室温解冻）得到 PVA-AC 预凝胶；
2.在预凝胶表面刮涂10 wt% PVA 溶液，通风 1h 后再经 5 次冻融循环，最终得到 SPVA-AC 水凝胶；
3.同步制备AC/PVA 比 0.5:10（SPVA-AC5）、2:10（SPVA-AC20）的对照样品，材料可轻松制备成 1.5cm×1.5cm 至 10cm×10cm 的不同尺寸，满足临床不同需求。
图2. SPVA -AC冷冻凝胶材料表征。
体外性能：力学、抗氧化、细胞相容性全面优异
理化性能：力学增强，溶胀率极低
SPVA-AC 水凝胶在保留大孔隙的前提下，展现出远超纯 PVA 水凝胶的理化性能：
l拉伸强度提升至1.66 MPa（纯 PVA 仅 1.14 MPa）；
l溶胀率降至1.9%（纯 PVA 为 6.4%），在 PBS 缓冲液中质量损失可忽略，实现湿环境下的长期结构完整；
lDPPH 自由基清除率达95%，可高效清除 ROS，且能有效吸附 IL-6 等促炎因子；
l导电性显著提升，可重新平衡生物电、支持细胞活动，进一步加速伤口愈合。
细胞实验：生物相容性佳，功能分区明确
以L929 成纤维细胞为模型的体外实验证实：
1.CCK-8 和活 / 死染色结果显示，SPVA-AC 水凝胶各浓度组均能支持细胞显著增殖，细胞相容性优异，几乎无细胞死亡；
2.表面孔隙功能分区明显：小孔隙表面（顶层）细胞黏附受限，实现抗粘连效果；大孔隙表面（底层）细胞黏附能力显著增强，为组织整合奠定基础。图3.大鼠腹壁缺损模型
体内验证：大鼠腹壁缺损模型中表现“完胜” 传统材料
研究团队构建大鼠10mm 直径全层腹壁肌肉缺损模型，将 SPVA-AC 水凝胶与临床常用的 PP 补片、PCO 补片、纯 PVA 水凝胶进行对比，从抗粘连、力学稳定性、抗炎、促愈合四个维度验证材料的体内性能，结果显示 SPVA-AC 水凝胶表现出压倒性优势：
1. 抗粘连效果：实现 “零粘连”
术后10 天，PP 补片组粘连评分高达 8.67（严重粘连），PCO 补片和纯 PVA 水凝胶组评分为 2（轻微粘连），而SPVA-AC 水凝胶组粘连评分为 0，实现腹腔完全无粘连。
2. 力学稳定性：长期结构完整，贴合腹壁
术后28 天，PP 组仍有明显粘连，PCO 组出现材料变形，纯 PVA 水凝胶也存在变形且与腹壁贴合性差；而 SPVA-AC 水凝胶无任何变形，结构完整，与腹壁紧密贴合，展现出优异的体内长期力学稳定性。
3. 抗炎性能：显著抑制炎症反应，重塑免疫微环境
lHE 染色显示，SPVA-AC 组炎症细胞浸润远少于 PP、PCO 组，且较纯 PVA 组进一步减少；
l免疫组化结果证实，SPVA-AC 组促炎因子（IL-6、IL-1β、TNF-α）表达显著降低，抗炎因子（IL-10）表达大幅升高；
l巨噬细胞极化检测显示，SPVA-AC 水凝胶可显著促进 M2 型巨噬细胞极化（Arg-1、CD206 高表达），抑制 M1 型巨噬细胞（iNOS 低表达），有效缓解腹膜腔炎症。
4. 促愈合能力：胶原沉积更有序，血管生成更显著
lMasson 三色染色显示，SPVA-AC 组胶原纤维沉积更致密、更有序，组织成熟度远高于其他组；
lCD31 和 α-SMA 免疫组化染色证实，SPVA-AC 组血管生成能力显著优于 PP、PCO、纯 PVA 组，大孔隙结构为血管长入和营养运输提供了良好通道。
研究结论与展望
本研究成功开发的SPVA-AC 超结构多孔水凝胶，通过活性炭的多功能设计和双层超结构构建，首次实现了分级多孔结构、湿环境力学稳定、ROS 清除、炎症因子吸附、M2 巨噬细胞极化、抗粘连、促血管生成等功能的协同整合。
该材料的核心优势还在于制备方法简单、可规模化生产，无需复杂的化学修饰或复合策略，大幅降低了临床转化的成本和难度。研究团队表示，这款SPVA-AC 水凝胶不仅为腹壁缺损修复提供了全新的高性能生物材料，其 “填料多功能化 + 超结构设计” 的思路，也为软骨、皮肤、肌腱等其他软组织缺损修复的生物材料设计提供了新的概念和实践框架，有望在再生医学领域实现更广泛的应用。
论文链接：https://doi.org/10.1002/adma.202518217