《Acta Biomaterialia》：Cooperative Poly(ethylene glycol) Dehydration and Ion-Dependent Electrostatic Interactions Drive Thermally Irreversible Polyion Complex Flower Micelle Hydrogels
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摘要基于花状胶束组装体的热响应水凝胶在加热后可发生凝胶化，作为可注射软材料具有吸引力。我们此前报道，由聚离子复合物（PIC）花状胶束形成的氧化还原可注射凝胶（RIGs）展现出异常高的刚度和热不可逆凝胶化特性。本研究系统考察了磷酸盐缓冲液浓度和盐的种类对凝胶化动力学、胶束结构和
摘要
基于花状胶束组装体的热响应水凝胶在加热后可发生凝胶化，作为可注射软材料具有吸引力。我们此前报道，由聚离子复合物（PIC）花状胶束形成的氧化还原可注射凝胶（RIGs）展现出异常高的刚度和热不可逆凝胶化特性。本研究系统考察了磷酸盐缓冲液浓度和盐的种类对凝胶化动力学、胶束结构和链段运动性的影响，以阐明这种独特行为的物理化学基础。流变学分析表明，随着缓冲液浓度增加，凝胶化速度加快，而最大储能模量呈现非单调依赖性，在中等离子条件下达到最小值。添加盐以离子依赖和浓度依赖的方式进一步调节凝胶刚度，符合一种离子窗口效应：适度的静电屏蔽会改变PIC核内的静电络合，可能促进胶束重组，而较高离子强度下的过度屏蔽则会抑制网络增强。动态光散射（DLS）、质子核磁共振（1H NMR）、荧光猝灭和芘溶剂色谱法的互补结果表明，聚乙二醇（PEG）脱水（与高离子强度下的浊点降低一致），以及离子依赖的静电相互作用调节共同促进胶束重组和网络形成。综上，这些发现支持了一个协同机制框架，即PEG脱水和离子依赖的静电相互作用调节共同贡献了RIGs的稳健且热不可逆凝胶化。该框架提供了设计原则，通过调节离子环境来工程化机械稳健的热响应可注射水凝胶，用于生理相关离子条件下的生物医学应用。
意义声明
热响应可注射水凝胶是令人振奋的生物材料，但传统花状胶束体系通常表现出较弱的机械性能和热可逆凝胶化。本研究阐明了为何由聚离子复合物花状胶束形成的氧化还原可注射凝胶（RIGs）展现出异常高的刚度和热不可逆凝胶化特性。通过系统改变缓冲液浓度和盐的种类，我们表明凝胶化受聚乙二醇（PEG）脱水和PIC胶束内离子依赖的静电相互作用调节的强烈影响。这些发现为理解盐和缓冲液依赖的凝胶化过程提供了一个协同机制框架，并为在生理相关离子环境下开发机械稳健的可注射生物材料提供了设计原则。
引言
刺激响应水凝胶作为动态软材料，正受到越来越多关注，应用于生物医学和科技领域[1], [2], [3], [4]。其环境触发结构转变的能力为开发可注射支架、控释系统和自适应生物材料提供了机会[5], [6], [7], [8]。一种突出的策略是利用嵌段共聚物自组装成花状胶束架构，其中聚乙二醇（PEG）链段的温度诱导脱水驱动溶-胶转变10,13,14,16,17。然而，此类体系通常表现出较弱的机械性能；例如，浓度高达20 wt%的PLGA-PEG-PLGA水凝胶的储能模量仅为约1 Pa，这可能限制其在使用后维持机械完整性的能力15。在大多数PEG基热凝胶体系中，溶-胶转变是热可逆的，凝胶在冷却后会恢复为溶胶态，这是传统物理水凝胶的特征9,11,12,15。相比之下，高刚度与热不可逆凝胶化的结合可能有助于所形成的凝胶抵抗形变，保持结构完整性，并防止原位凝胶化后回复至溶胶态。这些特性对于旨在在使用部位长期停留并保持功能的可注射生物材料可能具有优势。然而，持久存在的凝胶网络也可能引发关于降解、清除、潜在残留物或降解产物以及长期组织相容性的重要考量，凸显了理解和最终控制热不可逆性的物理化学基础的重要性。
为开发可注射抗氧化生物材料，我们课题组研究了具有内在活性氧（ROS）清除能力的氮氧自由基聚合物体系。基于这一概念，我们设计了由多阳离子-b-PEG-b-多阳离子三嵌段共聚物和多阴离子形成的聚离子复合物（PIC）花状胶束。与主要由末端嵌段疏水缔合驱动的胶束形成不同的传统两亲性花状胶束相比，本体系通过多阳离子链段与聚丙烯酸（PAAc）之间的静电络合形成PIC核。图1示意性地展示了基于PIC花状胶束的RIG的分子组分和制备过程。该架构使其在多种生物医学场景中实现定位和持续活性[24], [25], [26], [27], [28], [29], [30]。值得注意的是，基于该平台的配方在临床前研究中显示出令人鼓舞的治疗效果，包括抑制牙周炎症和预防术后组织粘连。在这些研究中，我们发现所形成的配方——以下称为氧化还原可注射凝胶（RIG）——发生热不可逆凝胶化，并展现出接近约1,000 Pa的储能模量，这远高于传统花状胶束热凝胶。这种在凝胶化前具有可注射性、凝胶化后显著机械增强以及热滞后的组合，将RIG与传统热可逆花状胶束体系区分开来，并激发了对其凝胶化行为物理化学因素的研究。
尽管具有这些令人鼓舞的特性，RIG异常高的机械强度和热不可逆凝胶化的来源仍不明确。值得注意的是，与传统两亲性花状胶束热凝胶相比，储能模量超过100倍的增加无法仅由PEG脱水驱动的凝胶化来解释。这一观察表明，PIC核及其静电相互作用也对网络形成有所贡献。为考察这些贡献，我们通过改变磷酸盐缓冲液浓度、pH值和盐的种类，在受控离子环境下系统研究了热诱导凝胶化。选择这些条件是为了探究聚合物电离、静电屏蔽和离子特异性水合效应如何影响PEG水合、PIC相互作用以及宏观凝胶力学。由于这些物理化学因素相互耦合而非完全独立，本研究采用互补测量方法建立了一个机制框架，以理解PEG脱水和离子依赖的静电相互作用如何共同影响RIG的凝胶化。这种方法提供了通过调节离子环境来控制可注射水凝胶的机械性能和热响应的设计原则。
章节摘要
材料
α,ω-二羟基聚乙二醇（PEG，MW = 10,000）购自Sigma-Aldrich（美国密苏里州圣路易斯）。4-氨基-2,2,6,6-四甲基哌啶-1-氧自由基（4-氨基TEMPO）购自东京化成工业株式会社（日本东京）。聚丙烯酸（PAAc，MW = 5,000）、氯化钠（NaCl）、硫酸钠（Na2SO4）、柠檬酸钠、氯化钾（KCl）、盐酸胍和磷酸盐类购自FUJIFILM Wako纯化学品株式会社（大阪，
热响应凝胶化与凝胶态保持
温度扫描流变测量显示RIG在加热过程中发生清晰的溶-胶转变，以G′和G″的交点为标志（图2a）。值得注意的是，在冷却过程中，G′始终高于G″，并未回到初始的低模量状态，表明黏弹性响应中存在显著的热滞后。这一行为与我们此前关于RIG热不可逆凝胶化的报道一致，并与传统热凝胶化花状胶束体系形成对比，
结论
在本研究中，我们调查了氧化还原可注射凝胶（RIGs）异常高的刚度和热不可逆凝胶化的物理化学基础。通过系统改变磷酸盐缓冲液浓度和盐的种类，我们证明凝胶化动力学和机械强度均受离子环境的强烈影响。
流变学分析揭示了非单调的缓冲液浓度依赖性，其中在较高磷酸盐缓冲液浓度下凝胶化加速，而
CRediT作者贡献声明
Sakaue Sho：概念化、调查、形式分析、可视化、撰写-原稿、撰写-审阅与编辑。Marushima Aiki：指导、获取资金、撰写-审阅与编辑。Nagasaki Yukio：概念化、指导、获取资金、撰写-审阅与编辑。
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在本文撰写和修改过程中，作者使用ChatGPT（OpenAI）改进了英语语言和清晰度。所有AI辅助内容均由作者审阅和编辑，作者对已发表文章的内容承担全部责任。
未被引用的参考文献
[[18], [19], [20]]
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