通过动力学互锁多单元策略增强超分子透明质酸水凝胶

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水凝胶是一种三维亲水聚合物网络，能够吸收大量的水。它们的特殊性质，如粘弹性、生物相容性和亲水性，使其成为生物医学应用的理想材料，例如用于细胞培养的支架、用于药物输送的载体和生物传感器。最近，超分子水凝胶变得越来越有吸引力，与化学交联型水凝胶相比，可逆交联赋予了超分子水凝胶非凡的动态性能，包括可注射性、剪切稀化和自愈效应等。然而，由于相对较弱且可逆的相互作用，超分子水凝胶通常具有较差的力学性能，严重限制了其在生物医学、生物印刷和组织工程等方面的应用。因此，迫切需要提高超分子水凝胶的力学性能。

来自武汉科技大学的赵智勇、中国科学院化学研究所的董原辰和清华大学的刘冬生团队通过以有组织和交替的方式引入不同的超分子相互作用基序，将动态互锁多单元(KIMU)策略应用于透明质酸网络。本研究的策略成功地将交联剂离解能垒提高到103.0 kJ·mol-1，并将水凝胶的储能模量提高了78 %，同时保持了固有的动态特性。可以预见，这种方法将为制备具有优异力学性能的新型超分子材料提供一条便捷有效的途径。相关工作以题为“Reinforcing supramolecular hyaluronan hydrogels via kinetically interlocking multiple-units strategy”的文章发表在2023年2月18日的国际顶级期刊《Carbohydrate Polymers》。

1. 创新型研究内容

本研究应用了KIMU策略来提高多糖水凝胶的强度。多个非共价相互作用单元被引入聚合物主链(图1)，这限制了解离的超分子单元的扩散并促进了立即重新结合。本研究系统地关注了水凝胶的性质，并且在本研究提出的策略中证实了增强的机械强度。此外，所得水凝胶保持了其固有的动态特性，包括可注射性、可逆性、剪切稀化和自愈合效应。本研究的工作表明，KIMU策略是一种有前途的方法，可以在不影响超分子水凝胶动态特性的情况下实现机械性能的增强。

图1 单链和双链物理交联的水凝胶网络示意图

为了引入超分子单元，本研究将两种客体分子:苯丙氨酸(Phe)和金刚烷(Ad)接枝到HA主链上，它们可以与其宿主分子形成复合物和β-环糊精(β-CD)。如图2所示，侧链Phe部分通过点击反应与羧酸基团共轭，并以2 1的化学计量与CB[8]相互作用。侧链Ad部分通过酯化与活性 C6 伯醇偶联，以1:1的方式形成β-CD/Ad复合物，其中，β-CD低聚物(oCD)作为第二物理交联剂。由于这两个超分子单元连接到二糖单元的不同单糖单元，这种正交接枝方法可以防止这两个超分子单元相互排斥，并使这两个部分之间的相互影响最小化。这些合理的设计允许我们构建KIMU系统模型，这有助于研究聚合物水凝胶中的机械增强效应。

图2 金刚烷和苯丙氨酸修饰透明质酸的合成

为了更清楚地阐明KIMU策略，本研究引入CB[8]来研究单个相互作用对参与PAHA系统的情况。相对于HA主链上的Phe部分，CB[8]的量为0.3当量，提供60%的交联点。然后，在搅拌下将CB[8]与2 wt%的PAHA在PBS缓冲液中混合1小时，混合物变成不透明的均匀凝胶状态。通过在25 下以1%的固定应变在1 Hz下进行时间扫描测试，观察到储能模量(G’)达到210 Pa，损耗模量(G”)为194 Pa，进一步证明了水凝胶(CBHA水凝胶)的形成。如图3所示，进一步研究了从0.25当量调整到0.4当量的CB[8]浓度的影响。随着CB[8]的增加，水凝胶的G’从154 Pa增加到331 Pa。应该注意的是，当在实验中加入> 0.4当量的CB[8]时，CB[8]不能通过简单的搅拌完全溶解。因此，为了保证形成均匀的水凝胶，本研究在随后的实验中采用了0.3当量的CB[8]，除非另有说明。这些结果证明CB[8]可以有效地交联苯丙氨酸，成为优良的物理相互作用单元，从而满足KIMU系统的基本要求。接下来，本研究引入oCD来交联Ad，作为PAHA系统中的另一个单一相互作用对，其包含相对于HA主链上的Ad部分2当量的β-CD，理论上提供200 %的交联点。然后，将oCD与2 wt% PAHA在PBS溶液中混合，搅拌5分钟后获得透明粘性流体。然后，研究了其流变性能。图3显示G”(34.8 Pa)超过G’( 18pa)，这表明样品是粘性液体而不是水凝胶。然而，G’仍然大于纯HA溶液(4.9 Pa)，这可以通过oCD和Ad之间的交联来解释。

图3 单交联型和双交联型网络示意图以及各种等价物进行的单交联链网络的流变时间扫描测试

根据时间-温度叠加(tTs)原理，可以获得松弛过程的活化能(Ea)，这是超分子交联剂解离的能垒，从而进一步揭示机械增强的机理。对固定应变为1 %的CBHA和diHA-2水凝胶在不同温度下进行了频率扫描测试(从10 到40 )。参考温度(T0)设定为25 ,不同温度下的曲线水平移动(水平移动系数定义为aT ),直到所有曲线的末端重叠。在每个样本的整个频率范围内，G’随着频率的增加而上升，并且G’在中等频率下具有平稳状态。根据阿伦尼乌斯方程，Ea可以从ln aT对1/T的线性拟合中获得。如图4所示，CBHA水凝胶的Ea (83.5 kJ·mol-1)小于diHA-2水凝胶(103.0 kJ·mol-1)，这表明diHA-2水凝胶比CBHA水凝胶具有更高的能垒和更慢的解离速率。然而，对于diHA-3水凝胶，由于过量的oCD交联剂，Ea减少到85.7 kJ·mol-1。应该注意的是，该值仍然略大于CBHA水凝胶的值，这可以归因于由第二次相互作用引入的KIMU效应。这些结果进一步证明，动力学互锁状态可以通过选择的两种不同的相互作用对来实现，这两种相互作用对增强了水凝胶的机械性能。然后，本研究还进行了热流变实验，通过温度扫描测试研究了水凝胶的热响应行为。由于主-客体复合物的解离是吸热的，根据Le Châ telier原理，增加温度会使平衡向撤销变化的方向移动，这表明解离过程将被促进，并且CBHA水凝胶和diHA-2水凝胶的G’随着温度的增加而逐渐收缩。

图4 CBHA水凝胶DIHA-2水凝胶和DIHA-3水凝胶的储存模数G’和损耗模数G”的频率依赖曲线

本研究还关注了diHA-2水凝胶和CBHA水凝胶的动力学性质。图5显示了diHA-2水凝胶和CBHA水凝胶的稳定剪切流变性，其粘度随着剪切速率从0.1 s-1增加到6 s-1而缓慢降低。当剪切速率进一步增加时，diHA-2水凝胶的相应粘度从94.8 Pa·s快速下降到8.7 Pa·s，证明了与CBHA水凝胶的行为相似的优异的剪切变稀效果。当水凝胶被用于在低剪切(1 s-1)和高剪切(100 s-1)之间交替进行分步剪切测量时，diHA-2水凝胶的粘度在高剪切速率下降至7–8 Pa·s，并在低剪切速率下迅速恢复原始粘度。这个过程也可以循环几次。相反，由于缺乏足够的协同效应，CBHA水凝胶的粘度响应时间比diHA-2水凝胶长得多。另外，剪切稀化效应和可回收性保证了diHA-2水凝胶的可注射性，其可以容易地通过26号针头，并且在从针中挤出后迅速重新形成。还研究了超分子水凝胶独特的自愈合效应，这赋予了水凝胶从物理损伤中恢复的能力。图5显示了对水凝胶的阶跃应变测量。当施加的应变较低(1 %)时，两个样品都处于凝胶状态(G’> G”)。当外加应变增加到200%(G’< G”)时，凝胶-溶胶迅速转变。当施加的应变恢复到1 %时，水凝胶可以快速恢复到凝胶状态，表明超分子网络的快速重建。

图5 CBHA水凝胶和DIHA-2水凝胶的稳态剪切流变特性

2. 总结与展望

本研究表明，KIMU策略可以有效地提高超分子水凝胶的机械强度，而不牺牲其动态特性。在多糖系统中，多种物理相互作用(CB[8]-Phe复合物和βCD-Ad复合物)被引入到HA主链中，并且流变学研究表明储能模量提高了78 %。交联剂离解能垒的增加也被证明是由于两个不同的相互作用对所达到的动力学互锁状态。此外，所得水凝胶保持了其固有的动力学性质，如剪切稀化、可注射性、自愈合和可逆性。因此，KIMU策略有望成为制备具有改善的机械性能的超分子水凝胶的一种方便有效的方法。对于KIMU策略的进一步发展，可以预期的是，在未来的研究中应该涉及多个和更多顺序的物理相互作用，并且为了更好的机理研究，更多的聚合物体系有望用KIMU扩展，这仍然是一个巨大的挑战。可以相信，KIMU战略将有利于合成和天然聚合物在生物医学应用中的潜在应用，如3D细胞培养、生物医学、生物打印和组织工程。

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