通过盐处理精细调节化学交联透明质酸水凝胶的机械性能和降解特性

《Carbohydrate Polymers》：Fine-tuning the mechanical and degradation properties of chemically crosslinked hyaluronic acid hydrogels through salt treatment

本研究提出了一种通过预先向透明质酸（HA）溶液中加入盐来优化水凝胶性质的新方法。通过Hofmeister效应和静电相互作用，盐可改变HA链的构象和交联密度（DoM和DoCr），从而稳定调控水凝胶的机械性能（如储能模量、流动应变）和降解速率。实验表明，Na2SO4和Na3Cit处理显著增强水凝胶的刚性和延长降解时间，而NaCl影响较小。该方法利用FDA批准的交联剂BDDE，无需HA改性即可实现精准调控，为临床应用提供了简单有效的解决方案。

　　这项研究提出了一种创新的方法，通过在交联前向透明质酸（HA）溶液中加入盐，以调整HA水凝胶的性能。研究假设盐会影响HA链的构象和HA-HA之间的相互作用，主要通过霍夫迈斯特效应（Hofmeister effect）和静电相互作用。这些变化在交联后固定下来，使得即使在去除盐之后，水凝胶的性能也能保持稳定。为了验证这一假设，研究者使用了不同浓度的钠盐（包括钠柠檬酸盐、钠硫酸盐和钠氯化物，浓度范围为0到0.67 M），将HA溶液与1,4-丁二醇二缩水甘油醚（BDDE）交联后，对水凝胶进行了NMR、膨胀率、流变学和降解测试。结果显示，盐处理显著影响了水凝胶的膨胀率、机械性能和降解速率，这些变化依赖于盐的类型和浓度。NMR分析进一步确认了盐并未直接参与交联反应，而是通过改变HA的修饰度（DoM）和交联度（DoCr）来影响水凝胶的性能。此外，研究还指出，水凝胶性能的变化主要由DoM的改变驱动，而非共价相互作用和HA链的重新排列也可能起作用。这种方法为设计具有独特性能的水凝胶提供了新的可能性，而无需单纯调整交联剂的浓度。

HA水凝胶因其生物相容性、可降解性和非免疫原性，被广泛应用于生物医学领域，包括皮肤填充剂、关节内注射治疗骨关节炎疼痛、组织工程支架、3D细胞培养以及器官芯片等。其机械性能和降解速率的调整对于实现特定功能至关重要。例如，在组织工程中，水凝胶的机械性能会影响细胞的表型、分化和迁移，通过机械转导机制（mechanotransduction）调控细胞行为。类似地，在栓塞应用中，需要调整水凝胶的机械性能以承受血流压力并确保稳定的血管闭塞，同时避免因交联剂浓度过高导致的导管堵塞风险。因此，如何高效地调控水凝胶的性能成为研究的关键。

传统的交联剂浓度调整方法虽然能有效改变水凝胶的性能，但其同时影响多个特性，使得精确调控变得困难。此外，高浓度的交联剂可能导致纯化过程复杂且成本增加，从而影响水凝胶的生物相容性和安全性。因此，研究者探索了盐处理作为一种更简单、更有效的策略，通过影响HA链的构象和相互作用来调控水凝胶性能。这种策略可以在交联前将盐引入HA溶液，从而在水凝胶网络中实现更精细的调整。

在实验设计中，研究者首先将HA溶解于0.2 M NaOH溶液中，制备成5%（w/v）的溶液。随后，向HA溶液中添加不同浓度的钠盐，并在添加BDDE后进行交联。交联后的水凝胶在PBS中进行洗涤和平衡处理，以去除多余的盐和未反应的成分。通过NMR、流变学和降解测试，研究者分析了盐处理对水凝胶性能的影响。结果表明，盐处理显著影响了水凝胶的机械性能和降解速率，但具体效果因盐的类型和浓度而异。例如，钠硫酸盐对水凝胶的存储模量和降解速率影响最大，而钠氯化物则对水凝胶的性能影响较小。

进一步的实验表明，盐处理对水凝胶性能的影响主要来自于HA链的构象变化和HA-HA之间的相互作用。通过DLS分析，研究者发现盐处理能导致HA链的紧凑化，从而影响其水凝胶网络的形成。此外，NMR分析确认了盐并未直接参与交联反应，而是通过改变HA的修饰度和交联度来影响水凝胶的性能。这些变化在交联后被固定下来，即使在去除盐之后，水凝胶的性能仍然保持稳定。

研究还探讨了不同盐处理对水凝胶性能的影响机制。例如，钠柠檬酸盐和钠硫酸盐属于强亲水离子（kosmotropic ions），它们通过脱水作用促进HA链的紧凑化，增强HA-HA之间的相互作用，从而提高水凝胶的机械性能和降解速率。而钠氯化物则属于弱亲水离子（chaotropic ions），其作用可能相反，导致水凝胶的软化甚至溶解。这些发现进一步支持了盐处理通过霍夫迈斯特效应和静电相互作用调控水凝胶性能的假设。

此外，研究还发现，盐处理对水凝胶性能的影响在不同的交联剂浓度下有所不同。例如，在5% BDDE交联的水凝胶中，钠柠檬酸盐处理导致存储模量显著增加，而降解速率明显减缓。在10% BDDE交联的水凝胶中，钠柠檬酸盐的处理效果更加显著，存储模量和降解速率的变化更为明显。这表明，盐处理可以作为调整水凝胶性能的有效工具，尤其在需要更精细调控的场景中。

研究的另一个重要发现是，盐处理对水凝胶性能的影响不仅依赖于盐的浓度，还受到盐类型的影响。例如，钠硫酸盐和钠柠檬酸盐在不同浓度下对水凝胶性能的影响趋势相似，而钠氯化物的影响则相对较弱。这可能与不同盐对HA链的脱水和展开能力有关。钠柠檬酸盐和钠硫酸盐的强脱水特性增强了HA链的紧凑化，从而促进了HA-HA之间的相互作用，而钠氯化物则因缺乏脱水能力，对水凝胶性能的影响较小。

研究还发现，盐处理对水凝胶的降解速率有显著影响。钠柠檬酸盐和钠硫酸盐处理的水凝胶降解速率较慢，而钠氯化物处理的水凝胶降解速率与未处理的水凝胶相似甚至更快。这表明，盐处理能够通过改变水凝胶的结构和相互作用，从而调控其降解特性。此外，钠柠檬酸盐和钠硫酸盐在不同浓度下的处理效果存在显著差异，进一步强调了盐浓度和类型对水凝胶性能的调控作用。

总体而言，这项研究提出了一种新的策略，通过在交联前向HA溶液中添加盐来调整水凝胶的性能。这种方法不仅能够实现更精细的调控，还能避免传统交联剂浓度调整带来的复杂性和成本问题。此外，盐处理不会改变HA本身的结构，因此能够简化生物相容性和安全性评估，使其更适用于商业化和临床应用。未来的研究可以进一步探索不同盐和HA浓度对水凝胶性能的影响，以及盐处理对其他聚合物水凝胶的潜在应用。这为开发具有特定性能的水凝胶提供了新的可能性，从而拓展了其在生物医学领域的应用范围。