为了实现原位凝胶化壳聚糖水凝胶的可调机械性能：包括乙酰化模式在内的大分子结构的影响

《Carbohydrate Polymers》：Towards tunable mechanical properties of in situ gelling chitosan hydrogels: impact of macromolecular structure including pattern of acetylation

壳聚糖水凝胶的物理化学性质及生物相容性受脱乙酰度（DA）和乙酰化模式（PA）显著影响。研究显示，DA和PA通过调控链间相互作用及结晶结构，影响凝胶的粘弹性（从0.3到60 kPa）、孔隙率和稳定性，其中低DA（1%）的统计型壳聚糖（CHs1）最稳定，而商业壳聚糖（CHc10）因PA不均导致力学性能较低。细胞实验表明，所有水凝胶均支持L929成纤维细胞的存活与代谢活动，且低DA与PA统计性分布的水凝胶细胞毒性更低。研究证实，精确控制壳聚糖的分子结构参数对开发可重复的医用水凝胶至关重要。

　　在生物医学领域，可注射的原位凝胶化壳聚糖（CH）水凝胶因其高生物相容性和可调节的生物降解性而受到广泛关注。这些水凝胶不仅可以作为细胞封装的载体，还具有在体内形成结构的能力，为细胞治疗和组织工程提供了一种潜在的解决方案。然而，CH来源的差异性导致了水凝胶在性能上的不一致性，成为限制其广泛应用的重要障碍。因此，本研究旨在探讨CH的乙酰化程度（DA）和乙酰化模式（PA）对最终水凝胶物理化学性质的影响，从而提高其在生物医学应用中的可重复性和可控性。

CH是一种天然多糖，通常来源于甲壳类动物的壳，其结构和性质受到其来源和加工过程的显著影响。DA是指CH分子链中N-乙酰-D-葡萄糖胺（GlcN）单元的摩尔比例，而PA则是指这些乙酰化单元在链上的分布模式。在本研究中，我们通过重新乙酰化的方式制备了具有不同DA值（1%、10%和35%）的统计型CH，与商业来源的CH（具有10%的DA值）进行了比较。这些统计型CH的分子量（Mw）相似，约为200 kg/mol，而商业CH则表现出不同的PA特性。

研究发现，不同的DA和PA显著影响了水凝胶的凝胶化动力学、最终机械性能、微结构以及在体外环境中的稳定性和降解行为。通过广角X射线衍射（WAXS）分析，我们观察到不同PA的CH样本表现出不同的结晶特征。在流变学分析中，统计型CH的水凝胶表现出更快的凝胶化速率，但最终的模量较低，这表明其物理交联密度与商业CH有所不同。此外，统计型CH的水凝胶在溶液中的稳定性更高，尤其是在低DA情况下，其降解行为更为可控。通过压缩测试，我们发现不同DA和PA的CH水凝胶表现出从0.3 kPa到60 kPa的机械性能变化，这一范围为不同类型的组织工程和细胞治疗应用提供了潜在的材料选择。

细胞在水凝胶中的存活和增殖是评估其生物相容性的关键指标。在本研究中，我们使用L929成纤维细胞作为模型，观察了它们在不同CH水凝胶中的行为。结果表明，所有水凝胶中细胞的代谢活性在7天内持续增加，这说明这些材料对细胞具有良好的支持性。然而，低DA的水凝胶表现出更高的细胞聚集度，而高DA的水凝胶则表现出更小的孔隙和更弱的结构，这可能与水凝胶的机械性能和微结构有关。

研究还揭示了PA对水凝胶性能的深远影响。统计型CH由于其更随机的乙酰化单元分布，表现出不同的物理和生物特性，而商业CH由于其可能的块状结构，表现出不同的结晶行为和机械性能。这种差异性表明，仅通过控制DA是不够的，还需要对PA进行精确调控，以确保水凝胶在不同应用场景下的性能一致性。此外，水凝胶的物理交联机制依赖于弱的氢键和疏水相互作用，因此，其最终性能与乙酰化模式密切相关。

本研究的结果对于开发具有可控性能的CH水凝胶具有重要意义。通过重新乙酰化，可以更精确地控制CH的分子结构，从而实现对水凝胶性能的调节。这种方法不仅提高了水凝胶的可重复性，还为其在细胞治疗和组织工程中的应用提供了新的可能性。未来的研究可以进一步探索不同细胞类型在不同CH水凝胶中的行为，以及如何优化CH的结构以适应特定的生物医学需求。此外，水凝胶的降解行为和机械性能的调控对于设计适用于不同组织修复和再生需求的材料至关重要。这些发现为生物医学材料的开发提供了理论依据和实验基础，有助于推动CH水凝胶在临床应用中的进一步发展。