基于金刚烷/苯并吩嗪/β-环糊精修饰葡聚糖的可调谐无光引发剂紫外固化水凝胶及其生物医学应用潜力

《Applied Materials Today》：A photoinitiator-free UV-curable hydrogel with tunable properties using dextrans modified by adamantane, benzophenone, and β-cyclodextrin

本研究针对传统化学交联水凝胶的脆性、不可逆性及光引发剂潜在细胞毒性等问题，开发了一种基于β-环糊精(β-CD)/金刚烷(Ada)/苯并吩嗪(Bzp)主客体相互作用的无光引发剂UV固化葡聚糖水凝胶。通过系统调控锚点比例、链长和浓度，成功实现了水凝胶流变性能的精准调控，体外实验证实其具有优异的生物相容性和自愈合特性，为组织工程提供了新型可定制化材料平台。

　　

在生物医学领域，水凝胶因其独特的三维网络结构和亲水性，在药物递送、伤口敷料和组织工程等方面展现出巨大潜力。然而，传统化学交联水凝胶存在明显局限：交联过程往往使用化学交联剂（如戊二醛）或光引发剂（如Irgacure 2959），这些外源性小分子可能残留并产生细胞毒性，影响生物相容性。同时，高度交联的化学水凝胶通常较脆，缺乏动态响应性，无法模拟生物组织的柔韧性和自愈合能力。物理交联的水凝胶，特别是基于超分子相互作用（如主客体识别）的水凝胶，虽然具有良好的可逆性和自愈合性，但其机械强度往往较弱，且长期稳定性不足，容易在体液环境中溶解。因此，开发一种既能避免使用潜在有害光引发剂，又能兼具可调力学性能、良好生物相容性及稳定性的新型水凝胶材料，成为组织工程和再生医学领域亟待解决的关键问题。

为了应对上述挑战，发表在《Applied Materials Today》上的这项研究，提出了一种创新的解决方案：利用天然多糖葡聚糖（Dextran）作为骨架，通过化学修饰引入超分子构建单元——主体分子β-环糊精（β-CD），以及两种客体分子金刚烷（Ada）和苯并吩嗪（Bzp），构建了一种无光引发剂的紫外（UV）固化超分子水凝胶。该设计的巧妙之处在于整合了两种主客体相互作用的优势：Ada与β-CD之间具有极高的结合常数（~10⁶ M^-1），能形成稳定的物理交联网络，赋予水凝胶自愈合性和动态特性；而Bzp与β-CD的结合常数虽较低（~10² M^-1），但其独特之处在于在UV照射下，Bzp的羰基氧能被激发产生自由基，进而与β-CD空腔内的碳氢键发生反应，形成共价键，从而实现无需外源光引发剂的化学交联。这种“物理交联+光触发共价交联”的双重网络设计，使得水凝胶的性能（如粘度、模量、稳定性）可以通过简单调整锚点比例、聚合物链长和溶液浓度等参数进行精确调控，同时避免了光引发剂可能带来的生物安全性问题。

研究人员为开展此项研究，主要运用了几个关键技术方法：首先，通过多步有机合成成功制备了三种关键的功能化葡聚糖衍生物，即β-环糊精修饰葡聚糖（CD-Dex）、金刚烷修饰葡聚糖（Ada-Dex）和苯并吩嗪修饰葡聚糖（Bzp-Dex），并利用核磁共振（NMR）和傅里叶变换红外光谱（FT-IR）确认了其化学结构和取代度（DS）。其次，通过简单混合不同比例、不同浓度的功能化葡聚糖溶液，构建了Ada/CD、Bzp/CD以及三组分的Ada/Bzp/CD水凝胶。第三，利用流变仪系统地表征了水凝胶的粘度、储能模量（G’）、损耗模量（G’’）等流变学性质，并通过频率扫描和循环剪切测试评估了其动态力学行为和自愈合性能。第四，通过溶胀实验和凝胶含量（GC）测试研究了水凝胶的稳定性，其中溶胀行为测试模拟了实际使用条件。最后，通过体外细胞毒性实验（依据ISO 10993标准）和细胞封装活死染色实验（使用Calcein-AM和碘化丙啶PI染色），在NIH/3T3小鼠成纤维细胞模型上评估了水凝胶的生物相容性。

3.1. 合成

研究成功合成了系列修饰葡聚糖。6-单脱氧-6-单叠氮-β-CD的合成产率高达89%，并通过FT-IR光谱中2104 cm^-1处的叠氮基团特征峰得以确认。通过点击化学反应制备CD-Dex，产率约93%。Ada-Dex和Bzp-Dex的合成则通过将Ada或Bzp的羧酸转化为酰氯，再与葡聚糖上的羟基反应实现，经过工艺优化后，其取代度（DS）分别达到约5%和8%。¹H NMR谱图证实了所有目标产物的成功合成与结构。

3.2. 水凝胶形成

研究系统考察了锚点比例、溶液浓度和葡聚糖骨架链长对水凝胶形成及粘度的影响。结果表明，主客体锚点比例为1:1时，Ada/CD和Bzp/CD水凝胶的粘度均达到最高。溶液浓度与水凝胶粘度呈正相关，Ada/CD和Bzp/CD水凝胶形成有效凝胶的最低临界浓度分别为20%和30% w/v。链长的影响较为复杂：Ada/CD水凝胶在所有测试的链长组合下均能形成满意凝胶，且粘度随链长增加而增加；而Bzp/CD水凝胶仅在Bzp-Dex (25 kDa) 与CD-Dex (40 kDa) 组合下才能形成稳定透明的凝胶，更长链的Bzp-Dex由于其疏水性增强且与β-CD结合常数较低，易导致相分离。

3.3. 动态流变学研究

UV处理前，水凝胶的粘度随Ada-Dex含量的增加而增加。频率扫描显示，加入Ada-Dex使水凝胶在高频下表现出更显著的类固体行为。UV处理后，富含Bzp-Dex的样品（如A0/B100, A25/B75）的储能模量（G’）在全频率范围内均高于损耗模量（G’’），表现出显著的弹性主导特征，表明UV诱导的共价交联成功增强了网络结构。而仅含Ada-Dex的样品（A100/B0）UV处理后流变性质无变化。循环剪切测试表明，A0/B100水凝胶的G’和G’’在经历高应变破坏后能几乎恢复到初始值，证明了基于超分子相互作用的网络具有良好的可逆性和自愈合性能。

3.4. 溶胀行为

未经UV处理的物理交联水凝胶在6小时内达到最大溶胀率（SR），随后因网络逐渐降解而下降。UV处理后，水凝胶的溶胀行为取决于Bzp-Dex贡献的化学交联密度和Ada-Dex导致的溶质溶解。Bzp-Dex含量越高，达到溶胀平衡所需时间越长，且平衡SR越低，这为共价交联的存在提供了证据。凝胶含量（GC）测试进一步证实，UV处理后样品的GC均高于未处理样品，且与Bzp-Dex含量呈正相关。

3.5. 体外细胞毒性

采用ISO 10993标准的浸提法实验表明，与Ada/CD、Bzp/CD及Ada/Bzp/CD水凝胶浸提液共培养的NIH/3T3成纤维细胞，其存活率均超过70%，表明材料无细胞毒性。定性观察显示，与水凝胶聚集体共培养的细胞形态（纺锤形）与正常培养细胞无异。

3.6. 细胞封装的活死研究

将NIH/3T3成纤维细胞封装于A50/B50水凝胶中培养48小时后，活死染色显示绝大多数细胞存活（绿色荧光）。经UV固化的水凝胶中细胞铺展更佳，可能与共价交联导致的刚度增加有关，但两组细胞存活率相当，进一步证实了水凝胶良好的细胞相容性。

该研究成功开发并系统表征了一种基于Ada/Bzp/CD超分子相互作用的无光引发剂UV固化葡聚糖水凝胶平台。其重要意义在于：首先，通过巧妙的分子设计，将Ada/β-CD的高稳定性物理交联与Bzp/β-CD的光触发共价交联相结合，实现了水凝胶性能（从可注射、自愈合的物理凝胶到稳定的共价凝胶）的连续、精准调控，克服了单一类型水凝胶的固有缺点。其次，完全避免了外源性光引发剂的使用，从源头上消除了其潜在的细胞毒性风险，并通过体外细胞实验和细胞封装研究证实了材料优异的生物相容性。第三，所使用的葡聚糖、β-环糊精等原料具有良好的生物可降解性和安全性，为后续的生物医学应用奠定了坚实基础。这种性能可调、生物相容性好的新型水凝胶材料，在需要可注射、原位成型并长期稳定的组织工程（如软骨修复、神经再生）、药物控释以及生物3D打印等领域展现出广阔的应用前景。该研究为开发新一代智能生物材料提供了新的思路和有效的技术平台。