基于胶原蛋白-聚(三亚甲基碳酸酯)的多孔光交联混合网络的结构表征

《Macromolecular Materials and Engineering》：Structural Characterization of Porous Photo-Crosslinked Hybrid Networks Based on Collagen-Poly(Trimethylene Carbonate)

光交联杂化网络由甲酰化胶原I和聚三甲基碳酸酯-甲丙烯酸酯构成，研究其热力学行为与结构特性。通过动态机械分析和固态核磁共振发现，胶原作为多功能交联剂显著提升网络密度（达15.99×10^4 mol/g）和弹性模量（14.3 MPa），同时减少缺陷浓度。相分离现象在PTMC中表现明显，DQ-HS-NMR证实胶原通过物理缠结和化学交联协同增强力学性能。该研究为生物医学材料设计提供了理论依据。

　　本研究聚焦于一种新型的混合网络材料的制备与性能分析，旨在通过结合天然的亲水性聚合物和合成的疏水性聚合物，克服单一材料在生物医学应用中的局限性。这种混合网络材料不仅具备良好的生物活性，还能提供合适的机械性能和可控的降解行为，从而为组织工程和再生医学领域提供新的材料选择。研究采用甲基丙烯酸化的不可溶型胶原蛋白（ICol-MA）与聚三亚甲基碳酸酯（PTMC-tMA）进行光交联，构建出具有高孔隙率和高凝胶含量的混合网络。通过动态力学分析（DMA）和固体状态时域双量子（DQ）氢核磁共振（¹H NMR）技术，研究团队深入探讨了这些混合网络的热机械性能和结构特性，揭示了材料组成对其性能的深远影响。

### 天然与合成聚合物的特性与局限

天然亲水性聚合物，如胶原蛋白、明胶和透明质酸，因其良好的生物相容性、可降解性和生物可吸收性，长期以来被视为生物医学材料的重要候选。这些材料不仅能够促进细胞的附着与增殖，还具有一定的生理功能，例如止血和组织修复。然而，单独使用这些天然材料制备的支架往往表现出较差的机械强度和较快的降解速率，这在组织工程中可能限制其长期应用。相比之下，合成疏水性聚合物，如聚ε-己内酯（PCL）、聚(D,L-乳酸)（PDLLA）和PTMC，虽然具有优异的机械性能和可降解性，但其疏水性使得它们在生物活性方面表现不足，难以有效支持细胞的生长与代谢。

为了解决上述问题，研究者提出了一种将天然亲水性聚合物与合成疏水性聚合物结合的策略，即通过光交联技术构建混合网络。这种方法可以结合两种材料的优点，既保留了天然材料的生物活性，又提升了合成材料的机械性能和降解控制能力。以往的研究表明，由甲基丙烯酸化明胶（GelMA）和PTMC构建的混合网络，在机械性能和细胞材料相互作用方面表现出与天然材料相似的优势。此外，由透明质酸和PTMC构建的混合网络也展现出类似的特性，进一步验证了这种混合策略的可行性。

胶原蛋白作为一种重要的天然材料，其在混合网络中的应用具有独特的优势。胶原蛋白不仅能够促进细胞的粘附和增殖，还具备良好的生物降解性和止血功能，使其在医疗领域具有广泛的应用前景。此前，研究团队已经成功制备了由聚（三亚甲基碳酸酯-共-ε-己内酯）（P(TMC-co-ε-CL)）和重组人类类胶原蛋白组成的混合网络。此外，在与本研究同步进行的实验中，研究者还探索了由PTMC和不可溶胶原蛋白（ICol）构建的混合网络。这些研究均表明，混合网络能够显著提升机械性能，相较于纯胶原网络而言。

然而，尽管混合网络在宏观性能上表现出优势，但其内部结构的变化仍然需要进一步研究。例如，通过差示扫描量热法（DSC）实验可以发现，这些混合网络存在相分离现象，即使在肉眼或扫描电子显微镜（SEM）下并不明显。为了全面理解混合网络内部结构对其宏观性能的影响，本研究首次结合了DMA和DQ ¹H NMR实验，以分析材料的热机械行为和结构特征。

### 混合网络的制备与结构分析

为了制备混合网络，研究团队首先需要找到一种能够同时分散天然胶原蛋白和合成PTMC的通用溶剂。通过实验验证，发现盐酸酸化的二甲基亚砜（DMSO/HCl）能够有效地溶解PTMC-tMA并分散ICol-MA，从而形成混合体系。随后，将混合体系进行冷冻处理，形成聚合物贫乏区域（DMSO结晶区）和聚合物富集区域。通过随后的交联、脱溶剂和冻干处理，最终得到了具有高孔隙率的混合网络。

通过实验发现，所有混合网络的孔隙率均超过74.8%，并且凝胶含量也达到了74.8%以上，表明这些材料具有良好的交联效果。此外，通过ATR-FTIR技术对混合网络的组成进行了半定量分析，结果表明混合网络的组成比例与预期相符，即ICol-MA与PTMC-tMA的比例分别为35:65和20:80。这些比例的选择是为了平衡胶原蛋白的生物活性与PTMC的机械性能，从而实现材料功能的优化。

### 动态力学分析与网络密度研究

动态力学分析（DMA）是一种研究材料热机械性能的重要手段，尤其适用于评估材料的玻璃化转变温度（T_α）和交联密度。本研究中，DMA实验的结果表明，混合网络的T_α与纯PTMC网络的T_α接近，这表明在混合网络中，PTMC的相分离现象仍然存在。这一发现进一步支持了混合网络内部结构的复杂性，即虽然在宏观上没有明显的相分离现象，但在微观尺度上仍然存在不同的组分区域。

通过DMA实验，研究团队还计算了不同混合比例下的交联密度。结果表明，随着胶原蛋白含量的增加，交联密度也显著提高。例如，当胶原蛋白含量为35%时，交联密度从PTMC的1.99 (mol/g)·10⁴增加到15.99 (mol/g)·10⁴。这一趋势与通过DQ ¹H NMR实验测得的网络密度变化一致，进一步证明了胶原蛋白在混合网络中起到了增强网络结构的作用。

DQ ¹H NMR技术不仅能够测量网络密度，还能提供关于材料缺陷（如自由链端和缠结结构）的信息。通过该技术，研究团队发现，随着胶原蛋白含量的增加，网络中的缺陷减少，这表明胶原蛋白的引入提高了网络的完整性。此外，DQ ¹H NMR还揭示了PTMC中的物理缠结结构对网络性能的贡献。这些缠结结构在宏观上表现为网络的弹性行为，而在微观上则与网络密度和缺陷比例密切相关。

通过结合DMA和DQ ¹H NMR的数据，研究团队提出了一种新的理论模型，用以解释混合网络的力学行为。这一模型表明，胶原蛋白在混合网络中不仅作为多功能交联剂，还通过与PTMC形成物理缠结结构，增强了网络的整体性能。因此，调整混合比例可以有效控制网络的密度、弹性模量和缺陷含量，从而实现材料性能的优化。

### 网络结构与性能的协同效应

本研究的一个重要发现是，胶原蛋白与PTMC之间的协同效应能够显著提升混合网络的机械性能。通过分析不同混合比例下的网络结构，研究团队发现，随着胶原蛋白含量的增加，网络的密度和弹性模量均呈上升趋势。例如，当胶原蛋白含量为35%时，网络的弹性模量从纯PTMC的1.8 MPa增加到14.3 MPa。这一现象表明，胶原蛋白在混合网络中起到了双重作用：一方面，它作为多功能交联剂，增加了网络的交联密度；另一方面，它与PTMC形成物理缠结结构，进一步提升了网络的弹性性能。

此外，研究还发现，混合网络的结构特征与网络的宏观性能之间存在密切的关联。例如，网络密度的增加不仅体现在DMA实验中交联密度的提升，也反映在DQ ¹H NMR测得的D_res值的上升。D_res值与网络密度成正比，因此其变化能够直接反映材料结构的演变。与此同时，网络中的缺陷比例（w_def）则随着胶原蛋白含量的增加而减少，这表明胶原蛋白的引入有助于减少网络中的自由链端和缠结结构的损失，从而提升材料的稳定性和机械性能。

### 材料设计与应用前景

通过本研究，研究团队不仅验证了混合网络在提升机械性能方面的潜力，还揭示了其结构特征对性能的影响机制。这种混合策略允许研究者通过调整胶原蛋白与PTMC的比例，实现对材料性能的精确控制。例如，较高的胶原蛋白含量可以提升网络的密度和弹性模量，而较低的胶原蛋白含量则可能更适合某些特定的生物医学应用，如需要更灵活的结构或更慢降解速率的场景。

在生物医学领域，这种混合网络材料具有广泛的应用前景。例如，它可用于构建组织工程支架、药物递送系统或可降解生物材料。由于其良好的生物活性和机械性能，这种材料可能更适合用于支持细胞生长和组织再生的环境。此外，由于其可控的降解行为，它还可以用于设计具有特定释放速率的药物载体。

### 材料制备与表征方法

为了确保混合网络的性能，研究团队采用了一系列先进的材料制备和表征方法。首先，通过环状开环聚合反应合成了三臂结构的PTMC寡聚物，并通过¹H NMR技术对其分子量和功能化程度进行了表征。随后，ICol-MA的制备过程包括在醋酸溶液中进行甲基丙烯酸化反应，并通过离心和紫外-可见光谱（UV–vis）分析来确定其功能化程度。

在混合网络的制备过程中，研究团队采用了冷冻-解冻-脱溶剂-冻干的策略，以形成具有高孔隙率的网络结构。这种方法不仅能够有效去除未反应的聚合物，还能保留材料的结构特征。通过ATR-FTIR和DQ ¹H NMR技术，研究团队对混合网络的组成和结构进行了详细的分析，确保其性能符合预期。

### 研究意义与未来方向

本研究的意义在于，通过结合天然和合成材料的优势，为生物医学领域提供了一种新型的混合网络材料。这种材料不仅具备良好的生物活性，还能通过调整组成比例来实现机械性能和降解行为的优化。这为未来开发更高效的组织工程支架、可降解药物载体以及生物活性材料提供了理论依据和技术支持。

未来的研究可以进一步探索这些混合网络在不同生物环境中的表现，例如在体外细胞培养中的支持能力或在体内组织修复中的应用效果。此外，还可以尝试引入其他类型的天然材料或合成材料，以构建更加多样化的混合网络体系。这些研究将有助于推动生物医学材料的发展，为临床应用提供更多可能性。