α-酮戊二酸作为一种可持续且通用的水凝胶光引发剂

《ACS Omega》：α-Ketoglutaric Acid as a Sustainable and Universal Photoinitiator for Hydrogels

水凝胶的环保光引发剂α-酮戊二酸及其对力学性能的影响。通过比较αKG与Irgacure 2959和APS的引发效率及水凝胶机械特性，发现αKG在合成（PAm、PEGDA）和天然（GelMA、AlgMA、ChMA）高分子体系均表现出高效引发能力，其非共价相互作用可调控网络结构，使αKG水凝胶兼具高延展性和适度弹性，同时具有优异生物相容性和环境友好性。

　　### 水凝胶在生物医学与智能生物电子领域的应用前景

水凝胶因其与人体组织相似的物理和化学特性，近年来在生物医学和智能生物电子领域获得了广泛关注。这些材料能够模拟天然组织的结构，具有良好的生物相容性和柔韧性，使其在组织工程、药物递送、可穿戴电子设备和仿生电子皮肤等方面展现出巨大的应用潜力。水凝胶的性能主要依赖于其交联结构和物理化学特性，因此在制备过程中，交联方法的选择对于调控水凝胶的机械性能至关重要。

在水凝胶的制备过程中，引发剂的作用不可忽视。引发剂不仅决定了聚合反应的效率，还直接影响水凝胶的物理结构和机械性能。传统的引发剂，如过硫酸铵（APS）和紫外引发剂Irgacure 2959（I-2959），虽然在工业中广泛应用，但它们的水溶性较差，且可能对细胞产生一定的毒性。例如，I-2959的水溶性有限，限制了其在某些生物应用中的使用，而APS在未反应的情况下可能对细胞造成不良影响。因此，寻找一种更环保、更安全、且具有优异性能的引发剂成为研究的热点。

本研究中，我们提出了一种新型的引发剂——α-酮戊二酸（αKG），它来源于细胞代谢过程中的柠檬酸循环。αKG作为一种生物基引发剂，不仅具备良好的水溶性和生物相容性，而且在紫外光照射下能够高效地引发乙烯基聚合反应。与传统的引发剂相比，αKG展现出更高的环保性和更广泛的适用性，这使得它在生物材料的制备中具有显著优势。

### αKG作为新型引发剂的优势

αKG作为一种天然存在的代谢产物，其化学结构中含有酮基和羧酸基团，这使其在紫外光照射下能够有效地产生自由基，从而启动聚合反应。在本研究中，我们系统地评估了αKG与其他常见引发剂（如I-2959和APS）在水凝胶制备中的表现。通过对比实验，我们发现αKG在合成和天然水凝胶中均能成功引发聚合反应，包括聚乙二醇（PEG）、聚丙烯酰胺（PAm）、明胶（GelMA）、海藻酸钠（AlgMA）和壳聚糖（ChMA）等材料。这一发现表明，αKG具有广泛的适用性，能够在不同类型的水凝胶中发挥作用。

此外，αKG在水凝胶中的作用不仅限于引发剂，它还能够通过与水凝胶中大分子的功能基团（如氨基、羟基等）形成非共价相互作用，如氢键和静电相互作用。这些分子间的相互作用不仅影响水凝胶的机械性能，还可能改变其结构和功能特性。例如，在压缩测试中，αKG引发的水凝胶表现出较低的模量，但更高的延展性，表明其具有更好的柔韧性和能量耗散能力。这种特性对于需要高弹性和可变形性的生物医学应用（如仿生皮肤和可穿戴设备）尤为重要。

与I-2959相比，αKG的光吸收波长（322 nm）与常用的紫外光源（如365 nm）更为匹配，因此在相同条件下能够实现高效的光引发。尽管I-2959的摩尔消光系数远高于αKG，但αKG在光引发效率上并不逊色，这可能与其独特的分子结构有关。此外，αKG在光解过程中产生的产物不会对水凝胶的结构和性能造成显著影响，这进一步证明了其在生物材料中的安全性。

相比之下，APS虽然在某些水凝胶体系中具有较高的引发效率，但其未反应的残留物可能对细胞产生毒性，限制了其在生物医学领域的应用。同时，APS的水溶性较差，使得其在水凝胶中的均匀分布受到挑战。因此，αKG作为替代性引发剂，不仅解决了这些问题，还提供了更环保的制备方式，为未来水凝胶的绿色合成开辟了新的途径。

### 水凝胶机械性能的调控机制

水凝胶的机械性能，如模量、延展性和断裂强度，与其交联密度和分子链长度密切相关。在本研究中，我们通过调节引发剂的浓度，系统地研究了这些因素对水凝胶性能的影响。例如，在PAm水凝胶中，随着αKG浓度的增加，其压缩模量逐渐降低，而延展性显著提高。这表明，αKG能够通过改变交联密度和分子链长度，从而调控水凝胶的力学行为。

在PEGDA水凝胶中，αKG的引发效率在低浓度时表现良好，但随着浓度的增加，其引发效率略有下降。然而，αKG引发的水凝胶仍然表现出较高的延展性，尤其在高浓度时，其断裂应变达到64.4%左右，远高于I-2959和APS引发的水凝胶。这说明αKG在某些情况下能够提供更柔韧的水凝胶结构，有利于模拟生物组织的动态特性。

对于GelMA水凝胶，αKG的加入不仅能够促进聚合反应，还能够通过与明胶分子中的氨基形成氢键，进一步影响水凝胶的机械性能。这种相互作用使得αKG在水凝胶中不仅仅作为引发剂，还作为一种功能性添加剂，能够增强水凝胶的柔韧性和能量耗散能力。相比之下，APS和I-2959由于其潜在的毒性和较低的水溶性，通常需要在较低浓度下使用，以避免对细胞产生不良影响。

在ChMA水凝胶中，αKG的引发效率受到其前驱体溶液透明度的限制。由于ChMA前驱体溶液本身不透明，导致紫外光无法充分穿透，从而降低了αKG的引发效率。尽管如此，αKG仍然能够有效引发聚合反应，其引发的水凝胶表现出较低的模量和较高的延展性，显示出其在某些特定应用中的独特优势。

### αKG引发水凝胶的潜在应用

αKG作为一种新型的生物基引发剂，不仅能够有效引发乙烯基聚合反应，还能够通过与水凝胶中的功能基团形成非共价相互作用，从而调控其机械性能。这种双重功能使得αKG在生物医学领域的应用前景更加广阔。例如，在组织工程中，水凝胶需要具备良好的机械性能，以支持细胞的生长和组织的再生。αKG引发的水凝胶由于其较低的模量和较高的延展性，可能更适合模拟软组织的特性。

在药物递送系统中，水凝胶的机械性能直接影响其释放药物的能力和稳定性。αKG引发的水凝胶由于其较高的延展性和能量耗散能力，可能能够更好地适应体内环境的变化，提高药物释放的可控性和安全性。此外，在可穿戴电子设备和仿生皮肤等智能生物电子领域，水凝胶需要具备良好的柔韧性和导电性。αKG的加入可能通过增强水凝胶的结构稳定性，从而改善其在这些应用中的性能。

在生物相容性方面，αKG作为一种天然代谢产物，具有较低的细胞毒性，使其成为生物材料的理想选择。相比之下，APS和I-2959在某些情况下可能对细胞产生不良影响，限制了其在体内应用的可行性。因此，αKG的引入为开发更安全、更环保的水凝胶材料提供了新的思路。

### 未来展望与研究意义

本研究不仅验证了αKG作为新型引发剂的有效性，还揭示了其在水凝胶制备中的多重功能。通过调节引发剂的浓度，我们能够灵活地控制水凝胶的机械性能，使其更适应不同的生物医学需求。此外，αKG的加入还可能通过与水凝胶分子形成氢键和静电相互作用，进一步优化其结构和功能特性。

随着生物医学技术的不断发展，对水凝胶材料的要求也越来越高。未来的水凝胶不仅需要具备良好的机械性能，还需要在生物相容性、环境友好性和可调控性方面达到更高的标准。αKG作为一种新型引发剂，为实现这些目标提供了新的可能性。它不仅能够替代传统引发剂，还能够通过其分子间的相互作用，增强水凝胶的功能性，使其在更广泛的生物医学应用中发挥作用。

总之，αKG作为一种新型、环保、高效的引发剂，在水凝胶的制备中展现出显著的优势。其独特的分子结构和良好的生物相容性使其成为未来生物材料研究的重要方向。通过进一步优化引发剂的浓度和反应条件，αKG有望在生物医学领域发挥更大的作用，为开发新型水凝胶材料提供坚实的理论基础和实践指导。