权衡取舍：通过定制的交联策略实现稳定且响应迅速的动态海藻酸盐水凝胶

《Materials Today Communications》：Navigating the trade-off: Stable yet responsive dynamic alginate hydrogels through tailored crosslinking strategies

本文开发了两种动态共价水凝胶，分别通过小分子交联剂（ADH/PDO）和Alg-ADH聚合物偶联交联剂实现。研究证实，Alg-ADH结构通过固定化交联剂提高了体外稳定性，同时保持了快速自愈和应力松弛特性。L-Arg的释放行为显示pH依赖性，动态交联水凝胶（如ADA-ADH）的释放速率显著高于离子交联水凝胶（I-Alg-2）。通过调控交联化学和结构，实现了机械性能与药物释放的协同优化，为智能水凝胶设计提供了新策略。

　　本文主要探讨了基于海藻酸盐的动态共价水凝胶的制备及其性能研究。研究团队通过引入不同的交联化学和结构，旨在克服传统动态水凝胶在体外稳定性较低的问题，同时保留其快速自修复和应力松弛等优势。这些水凝胶在生物医学领域具有重要应用潜力，如药物递送、组织工程等。

动态共价水凝胶与静态水凝胶相比，其优势在于能够通过可逆的共价键实现自修复功能，这使其在一些需要可逆结构的场景中具有独特价值。然而，由于动态键的快速交换特性，这类水凝胶往往在体外表现出较低的稳定性，容易发生降解，这限制了其长期应用。为了解决这一问题，研究者设计了两种交联策略：一种是使用海藻酸二醛（ADA）和双功能小分子交联剂（如ADH和PDO）；另一种是使用ADA修饰的海藻酸盐（Alg-ADH）作为交联剂。这两种方法分别通过小分子交联和聚合物偶联交联来调控水凝胶的性能，从而实现更稳定的结构和可控的药物释放。

研究结果表明，不同交联策略对水凝胶的性能产生了显著影响。在体外稳定性方面，使用聚合物偶联交联剂（Alg-ADH）的水凝胶表现出更好的稳定性，因为其交联剂被共价连接到海藻酸盐主链上，从而防止了交联剂在水凝胶结构中被洗脱，降低了水凝胶的降解速率。相比之下，小分子交联剂（如ADH）由于其较低的水解稳定性，导致水凝胶在体外更容易发生降解。此外，水凝胶的交联结构也对其性能产生影响。例如，ADA-ADH水凝胶表现出较快的应力松弛行为，而ADA-PDO水凝胶由于其交联键（氧眯键）具有更高的水解稳定性，因此在应力松弛方面表现出较慢的趋势。这些差异表明，通过调整交联化学和结构，可以有效地调控水凝胶的动态行为。

在形态学方面，通过扫描电子显微镜（SEM）观察了冻干样品的横截面，结果显示所有样品都具有相互连接且均匀的孔结构。然而，ADA-PDO水凝胶由于其更稳定的结构，表现出较大的孔径，而AADH-1水凝胶则由于较低的聚合物浓度，表现出较小的孔径。这种孔结构的差异可能影响水凝胶的吸水性和药物释放速率。此外，水凝胶的肿胀行为也与交联结构密切相关。例如，ADA-ADH水凝胶由于其较低的水解稳定性，表现出较快的肿胀速率，而ADA-PDO水凝胶则由于其交联键的稳定性，表现出较慢的肿胀行为。

在机械性能方面，研究团队通过流变学测试评估了水凝胶的储能模量（G'）和损耗模量（G''），以了解其粘弹性特性。结果表明，ADA-PDO水凝胶的储能模量高于ADA-ADH水凝胶，这与其交联键（氧眯键）的较高水解稳定性有关。此外，AADH-1和AADH-2水凝胶的机械性能也受到聚合物浓度的影响，其中AADH-2由于较高的聚合物浓度，表现出更强的机械性能。然而，这种更高的机械性能也导致了其自修复能力相对较弱，需要更长的时间才能恢复结构完整性。

在自修复能力方面，所有水凝胶都表现出不同程度的自修复能力。ADA-ADH和AADH-1水凝胶在15分钟内即可完成自修复，而AADH-2则需要更长时间（约3天）。这种差异可能与水凝胶的交联结构和聚合物浓度有关。此外，ADA-PDO水凝胶由于其交联键的稳定性，未能表现出自修复能力。这些结果表明，自修复能力不仅与交联化学有关，还与交联结构及聚合物浓度密切相关。

在注射性方面，研究团队通过测量水凝胶的粘度随剪切速率的变化以及通过针头注射测试来评估其注射性能。结果显示，AADH-2由于较高的聚合物浓度，其粘度较高，导致注射困难，容易堵塞针头并形成块状结构。相比之下，AADH-1和ADA-ADH水凝胶在注射后能够形成连续的丝状结构，表现出较好的注射性和结构完整性。ADA-PDO水凝胶虽然注射性较好，但其形成的丝状结构在注射后容易断裂，表明其机械性能不足以维持结构的连续性。

在药物释放行为方面，研究团队以L-精氨酸（L-Arg）作为模型药物，评估了不同交联策略对药物释放的影响。结果显示，L-Arg的释放速率与水凝胶的交联化学和结构密切相关。例如，ADA-ADH水凝胶由于其快速交换的动态键，表现出较快的药物释放速率，而ADA-PDO水凝胶由于其交联键的稳定性，药物释放速率较慢。此外，L-Arg的释放还受到pH值和聚合物浓度的影响。在较低pH条件下，如pH 5，L-Arg的释放速率显著增加，这与动态键（如亚胺和希夫碱）在酸性环境下的快速水解有关。而在较高pH条件下，如pH 10，药物释放速率减缓，这表明在碱性环境中，动态键的交换速率较低。相比之下，AADH水凝胶的药物释放行为对pH变化不敏感，这与其较长的应力松弛时间有关。

研究团队还发现，L-Arg作为具有胺基的小分子，能够与水凝胶中的醛基形成亚胺键，从而影响水凝胶的机械性能。在ADA-ADH和AADH水凝胶中，L-Arg的加入会降低其储能模量，这表明L-Arg与醛基之间的竞争作用。然而，在ADA-PDO水凝胶中，L-Arg的加入对机械性能没有明显影响，这可能与其交联键（氧眯键）的较高水解稳定性有关。这些结果表明，药物的释放不仅受水凝胶的结构和交联化学影响，还可能与药物与水凝胶之间的相互作用有关。

总体而言，本文通过调整交联化学和结构，成功制备了具有不同性能的海藻酸盐动态共价水凝胶。研究结果表明，聚合物偶联交联剂（如Alg-ADH）可以显著提高水凝胶的体外稳定性，同时保留其快速自修复和应力松弛等优势。此外，水凝胶的药物释放行为可以通过调整交联结构和pH条件进行调控，这为开发具有可控释放特性的药物载体提供了新的思路。未来的研究可以进一步探索这些动态共价键在体内环境下的长期稳定性，以及它们在生物医学应用中的实际效果。