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《ACS Macro Letter》:基于动态硫醇-炔酮双加成交联的自愈可注射水凝胶 凝化

来源:【高分子材料科学】微信公众号

【要点】

1.四臂聚乙二醇(PEG)四硫醇星形聚合物通过小分子炔酮经硫醇-炔酮双加合物交联,在环境水性条件下(缓冲液pH = 7.4或8.2,室温)生成水凝胶网络。

2.水凝胶的机械性能可通过改变聚合物前体的浓度来容易地调节。

3.通过动态硫醇-炔酮双加成交联,水凝胶可自我修复和剪切稀化。

4.水凝胶具有良好细胞相容性。

5.这项工作表明动态共价化学直接制备的自愈性可注射水凝胶在未来可直接应用于生物医学,例如组织工程和药物输送。

【背景】

聚合物水凝胶是与生物组织类似的许多特性,可用作生物医学材料,例如在组织工程,伤口敷料和药物输送。响应性水凝胶在生物医学领域以及软机器人领域中备受关注。自愈性的可注射水凝胶对于生物医学应用非常重要。当前,有两种通用方法可在水凝胶纤维或聚合物链之间产生动态相互作用,以构建可自我修复的可注射水凝胶:非共价键(例如,氢键,离子键,主体-客体相互作用);动态共价键(例如硼酸酯,席夫碱和二硫键)。目前仅有几种类型的动态共价化学能满足构建自愈性可注射水凝胶的要求。一方面,某些动态共价键仅在苛刻条件下可逆,从而阻碍了它们在水凝胶中的应用。另一方面,某些具有动态共价键自愈性水凝胶的前体或预聚物的合成步骤过于复杂,可能会限制其应用。因此,通过动态共价化学反应,以简单的程序水制备凝胶,是开发自愈响应性水凝胶的重要扩展。

可逆的巯基-炔酮双共轭加成反应是一种动态共价键形成反应,迄今为止,还没有使用硫醇-炔酮双加成作为可逆键来调节水凝胶材料性能的例子。荷兰代尔夫特理工大学RienkEelkema团队使用四臂聚乙二醇(PEG)四巯基星形聚合物和小分子炔酮作为交联剂,通过巯基炔烃双加成构建动态交联的水凝胶网络。简单地将两种可商购的材料直接生成水凝胶,通过改变网络组分的浓度,可以容易地调节水凝胶的机械性能。这些水凝胶具有自愈性,剪切变稀的特性,可以通过医用注射器针头进行注射,然后自发形成凝胶。此类水凝胶表现出动态的粘弹性行为和生物相容性,在生物医学应用中显示出巨大的潜力。

图1.基于硫醇-炔酮双共轭物加成的胶凝机理。(a)硫醇-炔酮双共轭物加成:第一次硫醇加成是不可逆的,产生β-硫代烯酮。第二硫醇加成是可逆的,产生动态键。(b)通过四硫醇星形聚合物与炔酮的交联,硫醇-炔酮两次加成形成水凝胶。(c)胶凝化之前与之后。

【结果与展示】

1. 水凝胶的凝胶化及机械性能表征。

在室温下简单地混合-3-丁炔-2-酮PB8.2溶液和2个当量的4臂PEG硫醇PB8.2溶液,约30分钟后混合物的储能模量(G ')大于损耗模量(G ''),表明水凝胶形成(图2a),该水凝胶是透明无色的,G '为3.9×10 3 Pa,tanδ为4.0×10 -3。不同炔酮交联剂含量会影响凝胶化,作者发现在2∶1和1∶1的炔酮/硫醇比率下,未观察到水凝胶形成。炔酮/硫醇比率为1:4和1:8时,水凝胶形成。但炔烃含量低导致交联较慢,较少交联形成。在以下实验中,作者将炔酮和巯基的比例设置为1:2,以确保这些水凝胶中的有效交联。对于不同固含量的水凝胶,G '在0.1~100的振荡频率大于G''(图2b),胶凝化时间和机械性能与聚合物浓度相关。G '从4 wt%水凝胶(1.6×102 Pa)增加到10 wt%的3.9×1010 Pa;胶凝化时间从160 min (4 wt%水凝胶)减少到30 min (10 wt%水凝胶)(图2c)。体系在PBS(pH = 7.4或8.2),高pH缓冲液中,凝胶化速度更快,G '都约为3.8×10 3 Pa.

图2.水凝胶的流变特性。(a)10 wt%水凝胶(γ= 1%,ω= 1Hz,25°C)凝胶化过程的时间扫描测量。(b)不同浓度的水凝胶的频率扫描。(c)不同浓度的水凝胶的储能模量(G ')和胶凝时间。

2. 水凝胶的自愈性及可注射性。

作者接着研究了这些水凝胶对机械故障的响应。对10 wt%的Gel-PB8.2样品进行流变应变扫描,以确定破坏水凝胶网络并得到凝胶-溶胶转变的临界应变值。当施加超过80%的应变时,G '开始显着减小(图3a),说明开始非线性粘弹性行为。在临界应变值为212%时,G '和G ''交汇。图3b展示了PB8.2水凝胶1%与300%应变可逆循环,当水凝胶在300%的应变时,G '从3.9×103Pa降至Pa至8×10 2Pa,tanδ> 1,表明水凝胶网络崩溃并转化为粘性流体状态。应变回复到1%时,G '值快速恢复并且tanδ<1,水凝胶网络立即恢复。两块被切开且含有不同染色剂的的水凝胶在15分钟后可重新连接(图3c),约10小时后,染色剂完全扩散,表明形成了连续的凝胶结构,2天后,裂纹上消失,说明水凝胶可完全自愈。水凝胶具有剪切稀化作用, 10 wt%水凝胶(Gel-PB8.2)的粘度随着剪切速率的增加而降低,8 wt%水凝胶(Gel-PB8.2)和10wt%的水凝胶(Gel-PB7.4)可以通过20G注射器针头进行注射(图3 d)。从针头挤出的水凝胶模量立即恢复,并可打印字母,因为此时已消除了剪切应力。水凝胶的这种特性使其在3D打印中具有广泛应用。

图3.水凝胶的自愈性和可注射特性。(a)10 wt%的Gel-PB8.2的应变扫描。(b)10%wt%Gel-PB8.2的循环逐步应变测量。(c)10 wt%Gel-PB8.2的自我修复。(d)凝胶注射。

3. 水凝胶的生物兼容性。

作者紧接着使用NIH/ 3T3细胞(小鼠成纤维细胞)的活/死染色测定评估10 wt%Gel-PB8.2和Gel-PBS7.4的细胞毒性。如所示图4 a-b,对照实验中的细胞生存力为约98%,两种凝胶中的生存率略微较低(PB8.2(93%)及PBS7.4(94%))。这表明硫醇-炔酮双加水凝胶表具有良好的生物相容性。

图4.水凝胶的生物相容性。(a)NIH / 3T3细胞的荧光显微镜图像及细胞生存率(b)。

【结论】

作者开发了一种基于动态硫醇-炔酮双加成化学的新型自愈性可注射水凝胶。通过在水凝胶制备过程中改变聚合物前体的浓度,可以轻松调节机械性能和胶凝时间。此外,动态硫醇-炔酮双加成赋予水凝胶剪切变稀和自我修复的特性。凝胶可以通过20G针头注射,且在挤出时提供稳定的凝胶物体。该水凝胶同时还具有具有良好的生物相容性。

参考文献:doi.org/10.1021/acsmacrolett.0c00241

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