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摘要

最近，西安交通大學徐峰教授、孫曉龍教授團隊報告了一種“智能”水凝膠系統(tǒng)，該系統(tǒng)可以通過動態(tài)共價自適應網(wǎng)絡重構(gòu)為多種架構(gòu)。水凝膠結(jié)構(gòu)的拓撲變化通過胺-硫醇加擾、硫醇-硫醇交換、解偶聯(lián)反應和二硫化物形成重新形成共價化學鍵，從而產(chǎn)生動態(tài)可調(diào)的特性。水凝膠的剛度可以通過動態(tài)共價鍵進行調(diào)節(jié)，如流變學測量所示，一些水凝膠顯示出自修復和剪切稀化特性。

值得注意的是，顯著的結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變是在室溫下中性水性條件下實現(xiàn)的。這些“智能”水凝膠顯示出良好的生物相容性，可以在二維細胞培養(yǎng)中誘導細胞生長，并在三維細胞培養(yǎng)中有效地作為包裹和釋放人類間充質(zhì)干細胞的支架。因此，開發(fā)的“智能”水凝膠系統(tǒng)在組織工程和細胞治療等生物醫(yī)學應用中具有巨大潛力。相關(guān)論文以題為Chemically Triggered Hydrogel Transformations through Covalent Adaptable Networks and Applications in Cell Culture發(fā)表在《ACS Macro Letters》上。

示意圖 1. Click-Declick 化學實現(xiàn)的拓撲變化示意圖：(A) 通過胺-硫醇和硫醇-硫醇加擾的共軛受體的點擊反應和通過在水性條件下添加 DTT 的新形成的胺-硫醇共軛受體的點擊反應，(B) 通過 CuAAC 點擊反應形成 H-1 疊氮化物終止的四臂聚（乙二醇）（PEG）和炔終止的共軛受體 1 之間，以及（C）H-1 和代表性化學結(jié)構(gòu)矩陣內(nèi)多種締合成分交換過程的示意圖

示意圖 2. 基于胺-硫醇/硫醇-硫醇加擾、解偶聯(lián)反應和硫醇-二硫化物氧化的各種水凝膠的共價適應性網(wǎng)絡示意圖：(A) PEG 二胺誘導的 H-內(nèi)化學鍵斷開和重新連接 1 基質(zhì)通過胺-硫醇和硫醇-硫醇交換生成 H-2，(B) PEG 二硫醇誘導的 H-1 基質(zhì)內(nèi)的化學鍵斷開和重新連接通過硫醇-硫醇交換獲得 H-3，以及 (C) DTT 誘導的化學鍵斷開和過氧化氫誘導的重新連接以生成 H-4

圖 1. 水凝膠及其轉(zhuǎn)化的流變學研究和表征。

圖 2. 使用 H-2 和 H-3 的二維細胞培養(yǎng)。(A) 共聚焦顯微鏡圖像顯示在 H-2 和 H-3 和共聚焦盤表面上培養(yǎng)的 SH-SY5Y 的形態(tài)。(B) 使用 ImageJ 軟件計算的 SH-SY5Y 細胞的擴散面積和圓形度，顯示細胞在不同凝膠表面上的不同擴散。

圖 3. 細胞封裝、分布和生長。(A) 示意圖描繪了 H-2 內(nèi)細胞的誘捕。(B) 共聚焦顯微鏡在 H-2 內(nèi)封裝后 48 小時封裝的人類間充質(zhì)干細胞的最大投影。(C) H-2 降解后，將 hMSCs 培養(yǎng) 5 天和 7 天。

總結(jié)

該團隊提出了一種通過共價適應性網(wǎng)絡建立水凝膠轉(zhuǎn)化的新方法。基于CuAAC點擊反應合成的水凝膠，新水凝膠的拓撲結(jié)構(gòu)可以通過胺-硫醇加擾、硫醇-硫醇交換、二硫鍵和中性水性條件下的解偶聯(lián)反應來改變。表征和分析了網(wǎng)絡的機械和微觀結(jié)構(gòu)特性以及生物相容性。通過共價適應性網(wǎng)絡的重排，該系統(tǒng)可以形成具有不同剛度、自愈能力和良好生物相容性的拓撲水凝膠。總之，水凝膠系統(tǒng)在組織工程和細胞治療等生物醫(yī)學應用中顯示出巨大的潛力。