光快速交联果胶甲基丙烯酸酯增强自修复粘附水凝胶的构建及其生物医学应用研究

《Polymer》：Rapid Photo-Crosslink able Pectin Methacrylate Reinforced Self-Healing Adhesive Hydrogels

本研究针对丙烯酸(AA)基水凝胶机械强度差、溶胀率高及潜在炎症风险等问题，开发了一种通过一锅光化学反应合成的果胶甲基丙烯酸酯(PMA)增强自修复AA基杂化水凝胶。研究系统优化了交联密度、溶胀行为、流变特性及粘附性能，并采用同步辐射宏观衰减全反射-傅里叶变换红外显微光谱技术揭示了水凝胶的化学异质性与界面相互作用。该水凝胶展现出优异的pH响应性、自修复能力和细胞相容性，在组织工程、药物递送和生物传感领域具有重要应用价值。

　　

在生物医学领域，丙烯酸(AA)基水凝胶因其pH响应特性和生物粘附性而成为组织工程的有力候选者。然而，这些合成水凝胶面临诸多挑战：机械强度不足难以承受生理环境中的力学负荷、过度溶胀行为会导致结构稳定性下降、未反应单体和降解产物可能引发炎症反应。更关键的是，单纯增加交联密度往往以牺牲生物相容性为代价，这使得开发兼具良好力学性能和生物功能的水凝胶成为当前研究的重点难点。

天然多糖作为增强材料为解决这些问题提供了新思路。多糖材料具有环境友好、来源广泛、成本低廉、生物相容性好等优势，且携带多种生物活性信号分子。藻酸盐、壳聚糖、透明质酸和硫酸软骨素等已被广泛用于杂化水凝胶的合成，但它们的亲水性本质往往导致水凝胶溶胀率增加。近年来，从果渣中提取的阴离子多糖——果胶，因其可再生性、生物可降解性、离子交联能力和粘膜粘附性而受到关注。特别是果胶的甲基丙烯酸化修饰，不仅能赋予其光交联能力，还能引入疏水特性，从而精确调控水凝胶的交联密度、溶胀、降解和力学特性。

在这项发表于《Polymer》的研究中，澳大利亚皇家墨尔本理工大学的研究团队创新性地将天然多糖果胶进行甲基丙烯酸化修饰，并将其作为增强剂，通过一锅法快速光化学反应合成了聚丙烯酸/果胶甲基丙烯酸酯(PAA/PMA)杂化水凝胶。研究人员假设PMA的加入不仅能提高水凝胶的疏水性（降低溶胀率），还能通过增加交联密度起到增强作用。

研究采用了多项关键技术方法：通过核磁共振氢谱(¹H-NMR)和傅里叶变换红外光谱(FTIR)表征PMA的成功合成；利用光流变学评估光凝胶行为；采用扫描电子显微镜(SEM)分析微观结构；通过同步辐射宏观衰减全反射-傅里叶变换红外显微光谱(Synchrotron macro-ATR-FTIR)技术深入解析水凝胶的化学异质性和分子间相互作用；通过热重分析(TGA)和差示扫描量热法(DSC)研究热性能；通过压缩测试和蠕变恢复测试评估力学性能；通过搭接剪切测试测定粘附性能；并使用小鼠成纤维细胞(L929)通过Resazurin测定法评估细胞活性。

3.1. 合成果胶甲基丙烯酸酯的表征

研究人员通过¹H-NMR谱图证实了PMA的成功合成，在δ=6.25(H_a)和5.80(H_b) ppm处出现了甲基丙烯酸酯乙烯键的亚甲基质子特征峰，甲基丙烯酸酯基团的甲基峰出现在δ=1.88 ppm处。定量测定甲基丙烯酸化度(DM)为26.5%。FTIR光谱在1643 cm^-1附近出现的C=C振动峰进一步证实了果胶的甲基丙烯酸化功能化。

3.2. 提出的凝胶网络结构和配方光聚合

研究提出了水凝胶网络结构的示意图，其中细胞相容性光引发剂LAP在365 nm紫外光激活下产生自由基，同时引发AA单体聚合成聚丙烯酸(PAA)链、AA在PMA链上的功能化以及形成的PAA或AA-PEGDA共聚物链与PMA链通过PEGDA交联。光流变学测量显示，随着PMA浓度的增加，存储模量(G′)系统性增加，表明聚合物网络交联密度更高。所有样品的光交联时间均小于2秒，远快于文献报道的壳聚糖甲基丙烯酸酯生物粘附水凝胶(7-15秒)和硫醇-烯藻酸盐生物粘附水凝胶(95-237秒)。

3.3. 水凝胶的pH响应溶胀和自修复性能

水凝胶的溶胀行为是其作为生物材料性能的关键参数。研究表明，在中性pH下，溶胀水凝胶的尺寸随着PMA浓度的增加而减小，表明吸水量减少和交联密度增加。AA-PMA2.0水凝胶表现出pH响应溶胀行为，随着pH升高，水凝胶尺寸增加。AA水凝胶的溶胀比和交联密度分别约为160.4%和0.2779×10^-3 mol/cm³，而AA-PMA2.0水凝胶在pH 7下的溶胀比和交联密度分别约为20%和0.2803×10^-3 mol/cm³。当用果胶替代PMA时，所得AA-P2.0水凝胶的溶胀比显著更高(约545.1%)，是AA水凝胶的三倍多，突出了果胶功能化在增加交联密度同时降低溶胀方面的重要性。此外，AA-PMA2.0水凝胶通过凝胶块融合试验观察到自修复行为，切割的水凝胶片在相互按压六小时后融合成单一水凝胶。

3.4. 水凝胶的表面形态和组织、化学异质性及界面相互作用

SEM图像显示，AA水凝胶呈现有序、互连的微孔结构，平均孔径为33.20 μm。随着PMA浓度的增加，平均孔径系统性减小至4.67 μm。AA-PMA2.0水凝胶的平均孔径随pH水平升高而增加，支持杂化水凝胶的pH响应水溶胀特性。开发的杂化水凝胶的孔径范围(3至27 μm)适中，更适合真皮层，促进适当的细胞迁移、营养运输和增强细胞外基质沉积。

通过同步辐射宏观ATR-FTIR化学映射为AA-PMA2.0和AA-P2.0水凝胶的化学异质性、分子相互作用和结构组织提供了关键见解。观察到的光谱变化，特别是在ν(C=O)拉伸区域，突出了杂化水凝胶的异质性 nature，并为了解这些材料在生物粘附应用中的功能特性提供了分子基础。

3.5. 水凝胶的链流动性

DSC分析显示，AA水凝胶的玻璃化转变温度(T_g)值约为89.2°C，随着PMA含量的增加系统性升高至约115.1°C，表明随着PMA浓度的增加，分子链流动性降低。观察结果与组成和交联密度结果普遍一致，交联密度的增加表明分子链流动性的降低。

3.6. 水凝胶的压缩强度和蠕变恢复行为

压缩测试表明，PMA的加入显著影响了杂化水凝胶的机械性能。杨氏模量(表示刚度)在0.5%浓度时最初下降，但随着PMA含量的增加持续增加，在2.5% PMA浓度时达到最大值361 kPa，表明在较高PMA浓度下刚度增强。压缩强度从AA的39 kPa提高到AA-PMA2.5水凝胶的峰值136 kPa，表明对机械变形的抵抗力增加。水凝胶的能量吸收能力(韧性)从AA的5.98 kJ/m³大幅增加到AA-PMA2.5的最大值29.41 kJ/m³。蠕变恢复测试显示，所有AA-PMA水凝胶的蠕变变形在一个接近范围内，在恒定负载下2% PMA的最大值为0.046。

3.7. 水凝胶的粘附性能

搭接剪切测试显示，光交联AA水凝胶的粘附强度约为267 kPa，随着PMA在低浓度的加入最初下降，但在PMA浓度超过2 %w/w后增加。AA-PMA2.5水凝胶在测试样品中表现出最高的粘附强度(约289 kPa)，略高于AA水凝胶。AA-PMA2水凝胶的粘附能显示出与粘附强度略有不同的趋势，其中AA-PMA2水凝胶表现出最高的粘附能约109 J/m²，略高于AA水凝胶(约96 J/m²)。

3.8. 水凝胶的细胞活性

小鼠成纤维细胞(L929)细胞活性评估显示，所有水凝胶在24小时表现出优异的细胞活性，即>95%。然而，随着PMA浓度增加至1.5 %w/w，细胞活性系统性降低，超过此浓度后再次显示增加趋势。总的来说，水凝胶的细胞活性在48小时降低，但显示总体趋势与24小时结果相似。所有水凝胶在48小时表现出良好的细胞活性，即>85%，证明了它们在组织工程应用中的潜力。

本研究成功证实了果胶甲基丙烯酸酯作为一种创新且多功能生物材料，能够显著增强丙烯酸基水凝胶系统的物理化学特性。通过将丙烯酸水凝胶与果胶甲基丙烯酸酯有效复合，研究人员开发出了具有优异机械性能、可控溶胀行为、自修复能力和良好生物相容性的新型杂化水凝胶系统。该研究不仅提供了一种新型生物材料设计策略，还通过先进的表征技术如同步辐射FTIR深入揭示了材料内部的化学异质性和分子相互作用机制，为未来设计高性能生物医学水凝胶提供了重要理论基础和实践指导。这些具有pH响应性、自修复特性和优异粘附性能的水凝胶在组织工程支架、智能药物递送系统和生物传感平台等领域展现出广阔的应用前景。