硫醇-降冰片烯水凝胶自发凝胶化的机制解析与抑制策略研究

针对硫醇-降冰片烯（thiol-norbornene）预水凝胶溶液在无触发条件下自发凝胶化的问题，研究人员通过揭示酸性pH与痕量金属离子（如Fe2+）引发的类芬顿（Fenton-like）反应机制，提出抑制策略延长溶液工作时间。该研究为生物材料储存提供新思路，发表于《Biomacromolecules》。

　　

在生物医学领域，可注射水凝胶因其优异的生物相容性和可控的凝胶化特性被广泛应用于组织工程和药物递送。其中，硫醇-降冰片烯（thiol-norbornene）化学因其高效点击反应特性成为构建水凝胶的常用策略。然而，这类预水凝胶溶液常需外部触发（如光或氧化剂）才能完成凝胶化，实际应用中却频繁报告其未受触发即自发固化的现象，导致材料浪费和实验重复性下降。这一现象背后的机制长期未被阐明，成为制约材料临床转化的瓶颈。

针对这一难题，研究人员在《Biomacromolecules》发表论文，首次揭示自发凝胶化的化学本质。通过分析含羧酸基团的多糖（如羧甲基纤维素，CMC）对磷酸盐缓冲液（PBS）缓冲能力的破坏作用，发现酸性环境是自发反应的必要条件。进一步采用小分子模型系统证实，酸性pH与痕量铁离子（Fe²⁺）协同作用可显著加速硫醇-烯反应，其机制源于金属催化产生的活性氧（ROS）引发的类芬顿（Fenton-like）反应链。基于此，团队开发出通过调节pH和螯合金属离子抑制自发凝胶化的策略，将预水凝胶溶液的工作时间延长至临床适用范围。

关键技术包括：1）采用紫外-可见光谱监测硫醇消耗动力学；2）电感耦合等离子体质谱（ICP-MS）定量痕量金属；3）电子顺磁共振（EPR）检测ROS生成；4）流变学表征凝胶化进程。

酸性环境驱动自发凝胶化
实验表明，含羧酸基团的多糖可降低PBS的pH至4.5-5.5，该酸性条件使硫醇质子化（-SH）比例升高，促进硫醇-烯反应。对照组使用中性多糖则无自发凝胶现象。

金属离子的催化作用
痕量Fe²⁺（0.1-1 ppm）在酸性条件下催化H₂O₂分解产生羟基自由基（·OH），引发硫醇自由基链反应。螯合剂EDTA可完全抑制该过程。

抑制策略的有效性验证
调节pH至7.4并添加0.1 mM EDTA后，预水凝胶溶液在25°C下保持液态超过72小时，而对照组在6小时内凝胶化。

该研究不仅阐明自发凝胶化的多因素协同机制（酸性pH+金属催化+ROS生成），更提出可立即转化的解决方案。其意义在于：1）为生物材料稳定性预测建立新理论框架；2）推动硫醇-降冰片烯水凝胶在临床场景中的标准化应用；3）揭示环境因素对点击化学反应的潜在影响，为其他类似体系提供研究范式。研究结果对组织工程、药物缓释及3D生物打印等领域具有普适性指导价值。