单宁酸和硼酸交联甘油-柠檬酸聚酯的结构、力学与生物性能研究

《European Polymer Journal》：Tannic and boric acid crosslinked glycerol–citrate polyesters: Structural, mechanical and biological performance

本研究针对传统生物可降解聚酯在生物医学应用中存在的疏水性、降解不可控及机械性能不足等问题，开发了一种由单宁酸（TA）和硼酸（B）双重交联的甘油-柠檬酸（GCA）聚酯新材料。通过系统表征发现，该材料形成更致密的无定形聚合物网络，显著提升了杨氏模量、硬度和拉伸强度，并展现出更缓释的水解降解行为及更温和的pH变化。体外实验证实，改性聚酯在支持成骨细胞存活率高于75%的同时，对金黄色葡萄球菌具有可测量的抗菌活性。这项工作为设计可持续、可调控的生物支架材料提供了多功能平台，在药物递送和组织工程等领域具有广阔应用前景。

　　

在生物医学领域，如组织工程和药物递送，对可生物降解聚合物的需求日益增长。传统的聚酯材料，如聚乳酸（PLA）、聚乙醇酸（PGA）和聚己内酯（PCL），虽然应用广泛，但也存在成本高、疏水性强、降解速度不一致且过慢、以及机械性能非线性丧失等诸多局限性。为了克服这些缺点，研究人员将目光投向了由柠檬酸（Citric Acid, CA）与脂肪族二醇或多醇反应生成的替代性聚酯。其中，甘油（Glycerol, G）作为一种参与人体多种生理过程的多羟基醇，与柠檬酸反应生成的聚（甘油-柠檬酸酯）（GCA）因其良好的生物相容性、亲水性以及可控的降解速率而显示出独特优势。然而，纯GCA聚酯降解过快，导致局部环境酸化，对细胞产生毒性，且其机械性能仍有提升空间。因此，如何通过分子层面的修饰来有效调控简单、生物基柠檬酸聚酯的性能，成为当前研究的关键问题。

为了解决上述挑战，斯洛伐克科学院材料研究所的T. Sopcak等研究人员在《European Polymer Journal》上发表了一项创新性研究。他们开发了一种简单的合成方法，制备了由单宁酸（Tannic Acid, TA）和硼酸（Boric Acid, B）双重交联的甘油-柠檬酸（GCA）聚酯。研究旨在探究这种双重交联策略对聚酯的结构特征、热性能、机械性能、降解行为及生物学性能的影响。

研究人员主要通过以下关键技术方法开展研究：首先，他们通过熔融缩聚反应合成了GCA及其改性聚酯（GCA/TB1和GCA/TB2），并利用固态核磁共振（ssNMR）、傅里叶变换红外光谱（FTIR）和X射线衍射（XRD）对聚合物的化学结构和相组成进行了详细表征。其次，采用差示扫描量热/热重分析（DSC/TG）评估了材料的热行为。机械性能则通过宏观拉伸测试、纳米压痕和超声波脉冲激励技术三种互补方法进行全面评估。此外，还通过表面接触角测量、pH监测和体外降解实验研究了材料的亲水性、降解行为及降解产物释放动力学。最后，通过体外细胞毒性试验（使用MC3T3-E1小鼠成骨细胞）和抗菌活性测试（针对金黄色葡萄球菌和大肠杆菌），评估了材料的生物相容性和抗菌性能。

3.1. 合成和固态NMR光谱分析

研究表明，TA和B的加入使预聚物粘度增加，颜色变深，固化时间缩短。固态NMR分析证实了TA片段成功掺入GCA网络，并揭示了硼原子以三配位（B^III）和四配位（B^IV）两种形式存在，形成了硼酸酯键。研究还发现，硼酸的存在可能催化了柠檬酸向顺式乌头酸（cis-aconitic acid）的转化，增加了网络结构的复杂性。二维HETCOR实验表明，硼原子与甘油和柠檬酸片段均有相关性，证实了其作为交联桥的作用。

3.2. DSC/TG分析

热分析显示，与纯GCA相比，改性聚酯（GCA/TB1和GCA/TB2）的降解起始温度向更高值移动，表明交联结构增强了热稳定性。改性样品在低温区出现的额外吸热峰归因于添加剂吸湿性带来的弱结合水分的损失。

3.3. 物相和微观结构分析

XRD证实所有聚酯均为无定形结构，改性后主衍射峰展宽，表明交联导致结构单元间距离缩短。FTIR光谱显示了酯键（C=O, C-O）的形成，并且改性样品中O-H伸缩振动峰强度增加，证明了TA引入了更多氢键位点。扫描电镜（SEM）显示，GCA/TB1具有更均匀、分层的微观结构，而GCA/TB2表面出现微裂纹，断面更不均匀，提示脆性增加。

3.4. 聚酯的机械性能

宏观拉伸测试、纳米压痕和超声波测量结果一致表明，GCA/TB1聚酯表现出最优异的机械性能，具有最高的杨氏模量（E）、屈服应力（σ_y）、硬度（H）和拉伸强度（σ_t）。这归因于其更有效的交联、更均匀的表面和更光滑的断裂形态。GCA/TB2则表现出更大的脆性。

3.5. 表面润湿性和pH测量

接触角测量表明，改性聚酯的亲水性显著增强（接触角减小），这得益于TA分子中富含的羟基。在PBS中浸泡时，改性聚酯（GCA/TB1和GCA/TB2）的pH下降远比纯GCA温和，表明其降解更缓慢，酸性产物释放更少，有利于生物相容性。

3.6. 聚酯的降解和释放实验

降解实验表明，纯GCA在1周内快速降解（残留重量约32%），而GCA/TB1和GCA/TB2的降解速度显著减慢，8周后仍分别保留约22%和37%的重量。TA和硼的释放曲线显示，初期存在突释效应，随后释放速率减慢，表明降解和释放行为受多种因素（水扩散、水解、键断裂等）共同控制。

3.7. 体外细胞相容性

细胞毒性试验显示，纯GCA的提取物即使在50%稀释度下仍对成骨细胞有较强毒性（存活率约10%），而GCA/TB1和GCA/TB2的50%提取物则支持细胞存活率分别达到77%和84%，显示出良好的细胞相容性。这与其更稳定的降解行为和更温和的pH环境密切相关。

3.8. 抗菌活性

抗菌测试表明，所有聚酯对金黄色葡萄球菌（Gram-positive）的抑制作用均强于大肠杆菌（Gram-negative）。纯GCA由于降解快、柠檬酸释放多，显示出最大的抑菌圈。改性聚酯（GCA/TB1和GCA/TB2）虽然抑菌圈略小，但仍保留了可测量的抗菌活性，特别是在 broth dilution 法中，24小时后能有效抑制细菌数量的增长。

本研究成功证实，利用单宁酸和硼酸对甘油-柠檬酸聚酯进行双重交联，是一种简单有效的策略，能够在分子水平上调控聚酯的性能。这种改性形成了更致密、更稳定的无定形聚合物网络，显著改善了材料的机械强度、热稳定性、降解可控性和生物相容性。改性后的聚酯在支持成骨细胞生长的同时，保持了针对金黄色葡萄球菌的抗菌能力，实现了性能的平衡。该研究为开发用于组织工程和药物递送等生物医学领域的可持续、适应性强的支架材料提供了一个多功能且前景广阔的平台。未来研究可进一步探索其在体内环境下的长期性能和组织响应。