调控叔胺亚甲基自由基构建自交联抗菌水凝胶及其在放射治疗组织补偿器中的应用

【编辑推荐】针对放射治疗中剂量建成效应及传统组织补偿材料性能不足的问题，本研究通过KPS/DMAEMA氧化还原引发体系调控DMAEMA活性中心形成，以AM为主单体、HAc为抑制剂，成功制备了兼具化学交联网络、氢键交联和分子链缠结的自交联水凝胶。该材料展现出优异机械性能、组织粘附性和抗菌活性（对大肠杆菌和金黄色葡萄球菌），并通过模拟剂量补偿实验验证其作为组织补偿器的潜力，为放疗生物材料设计提供了新思路。

　　

在癌症治疗领域，放射治疗因其非侵入性和精准靶向性成为重要手段。然而，高能射线在穿透人体组织时会产生剂量建成效应——即最大剂量点出现在皮肤表面以下一定深度，这可能导致肿瘤区域剂量不足而周围正常组织受损。临床常采用组织补偿材料贴附于皮肤表面以调整剂量分布，但现有材料如石蜡、硅胶或3D打印制品普遍存在机械强度不足、组织等效性差、易残留毒性小分子等问题。水凝胶因其与软组织相似的物理特性被视为理想替代品，但传统水凝胶面临两难困境：物理交联材料生物相容性好但机械性能弱，化学交联材料强度高却需添加潜在有毒的交联剂。

为突破这一技术瓶颈，研究人员创新性地利用KPS/DMAEMA氧化还原引发体系，通过乙酸（HAc）调控DMAEMA双活性中心（铵阳离子自由基与叔胺自由基）的生成时序，实现了无需外加交联剂的自交联水凝胶制备。研究发现HAc能选择性抑制DMAEMA产生的第二活性中心（叔胺自由基），促使分子间双基终止反应形成化学交联网络。这种"时序控制"策略不仅解决了传统氧化还原体系反应速率过快的问题，还通过氢键（AM的酰胺基与DMAEMA的二甲氨基）和分子链缠结构建了多重交联网络。所得水凝胶的压缩强度达0.45 MPa，断裂伸长率超过800%，对猪皮组织的粘附强度达12.5 kPa，远超临床现有补偿材料。更引人注目的是，体系中HAc与DMAEMA质子化产生的季铵盐协同作用，使水凝胶对大肠杆菌和金黄色葡萄球菌的抑菌率分别达98.7%和96.3%。剂量补偿模拟实验显示，2 mm厚水凝胶可使表面剂量提升47.3%，有效将最大剂量点转移至肿瘤靶区。该成果发表于《Applied Surface Science》，为放疗生物材料开发提供了兼具性能与安全性的新范式。

关键技术方法包括：1）通过差示扫描量热法（DSC）监测聚合放热曲线验证HAc对活性中心的调控作用；2）采用冷冻扫描电镜（cryo-SEM）观察三维网络形貌；3）使用CCK-8法评估细胞毒性；4）参照ASTM标准进行力学性能测试；5）通过γ射线辐照实验模拟临床放疗剂量分布。

【结果与讨论】

1. HAc对活性中心的调控机制
   聚合动力学分析表明，当HAc/DMAEMA摩尔比为0.5时，体系出现两个明显的放热峰（间隔23分钟），证实HAc延迟了叔胺自由基的形成。红外光谱在1720 cm^-1处出现酯羰基特征峰，证明DMAEMA成功参与共聚。

2. 多级交联网络构建
   溶胀实验显示Gel/HAc_0.5的平衡溶胀比为8.2，显著低于物理交联对照组（15.7），表明化学交联网络形成。动态机械分析（DMA）揭示储能模量在25-60°C区间保持稳定，证明氢键与化学交联的协同作用。

3. 抗菌性能与生物安全性
   抑菌环实验显示，含5% HAc的样品对S. aureus形成直径14.2 mm的抑菌圈。细胞毒性测试中，材料浸提液培养L929细胞72小时的存活率达94.3%，符合ISO 10993-5标准。

4. 剂量补偿效能
   采用6 MV X射线照射时，水凝胶可使表面相对剂量从58%提升至85.3%，且后向散射系数仅为1.03，优于商用补偿膜（1.15）。

【结论】
该研究通过分子设计实现了三重创新：1）创立"活性中心时序调控"策略制备自交联水凝胶；2）阐明了HAc抑制叔胺自由基的pH依赖机制；3）首次将抗菌功能整合至放疗补偿材料。这种材料既解决了传统化学交联剂的毒性隐患，又克服了物理交凝胶机械性能差的缺陷，其组织等效性（电子密度1.04 g/cm³）与人体软组织（1.02-1.06 g/cm³）高度匹配。未来通过调节AM/DMAEMA比例可进一步优化衰减系数，推动个性化放疗补偿器的临床应用。研究由Xudong Shi和Zhiming Ha作为共同第一作者完成，通讯作者Shuxian Shi团队在生物材料领域具有深厚积累，该工作是其"医用智能水凝胶"系列研究的重要突破。