通过溶胶-凝胶无机交联技术，协调壳聚糖基自愈合水凝胶中刚性与所述动态性能之间的平衡

《Polymer》：Reconciling the Trade-off Between Rigidity and Dynamics in Chitosan-based Self-Healing Hydrogels via Sol-Gel Inorganic Crosslinking

　　

摘要

结合了高机械强度和自修复能力的水凝胶仍然是一个难以实现的挑战，因为增强策略往往会抑制动态恢复所需的移动性。在本研究中，基于壳聚糖的水凝胶通过溶胶-凝胶无机交联得到了增强，而现有的光谱和流变学结果支持了在溶胶-凝胶增强过程中仍保留了Schiff碱相关的动态行为。这种溶胶-凝胶交联的水凝胶表现出显著增加的储能模量，约为500 kPa，相对于有机对照组增强了400多倍，并且具有87.6%的高自修复效率以及四周内的优异水解稳定性。相比之下，UV交联的对照组显示出较低的恢复性能，这突显了交联途径在平衡刚性和可逆性方面的重要性。这些结果展示了一种实用的混合网络策略，可以在保持壳聚糖基水凝胶良好动态恢复能力的同时提高其刚性。

引言

水凝胶是一种有吸引力的软材料，因为它们结合了高水分含量、可调的力学性能和响应性，使其在涂层、生物医学设备和软功能材料中具有广泛应用(1), (2), (3), (4)。天然聚合物，特别是壳聚糖，由于其独特的亲核基团和内在的生物相容性(5), (6)，为这种拓扑工程提供了独特的分子平台。为了构建适应性结构，通常针对壳聚糖主链上的丰富氨基进行修饰，以形成动态的Schiff碱交联⁷。虽然已经探索了多种二醛类物质，但最近的合成工作转向了生物相容性的功能化策略。显著的例子包括开发了马来酸酐修饰的壳聚糖⁸、酚类修饰的壳聚糖⁹和甲基丙烯酸酯化的软骨ECM¹⁰，用于制备可用于伤口密封和组织 scaffolding 的可注射水凝胶。Balitaan等人的先前研究进一步推进了这一领域，合成了丙烯酰胺修饰的β-壳聚糖¹¹和甘醇修饰的壳聚糖¹²水凝胶网络，展示了多糖功能化的多样性。

然而，在单一水凝胶中同时实现高机械强度和自修复能力仍然是一个挑战，因为增加刚性的策略往往会降低链的移动性并抑制动态恢复(13), (14)。这种权衡在基于壳聚糖的系统中尤为重要，因为材料结构必须在对称性增强和可逆性之间找到平衡。

提高水凝胶强度的一种常见方法是增加交联密度或引入刚性增强相。尽管提出了多种混合化策略(15), (16)，但这些方法往往牺牲了自修复所需的动态特性(17), (18)。这一挑战代表了在为苛刻环境设计材料时面临的一个更广泛问题(19), (20), (21)。相比之下，溶胶-凝胶交联提供了一种化学途径，可以在原位生成无机增强相²²，同时保持宿主聚合物的有机网络结构。同时，二氧化硅也是一个坚固的平台，用于有机功能单元的共价接枝，在此过程中对无机表面的有序功能化可以精确控制有机-无机界面结构及其产生的功能特性²³。在基于壳聚糖的材料中，Schiff碱化学可以进一步提供支持自修复的可逆键合。然而，在更强网络增强条件下这种功能能保持到何种程度仍然是一个重要问题。

在这项工作中，我们研究了如何通过溶胶-凝胶无机交联增强壳聚糖水凝胶，同时保留Shiff碱作为自修复的基团。具体来说，我们探讨了不同的交联途径（包括纯有机交联、UV诱导交联和溶胶-凝胶无机交联）如何改变壳聚糖基网络的刚性、恢复行为和水解稳定性。通过系统比较这些配方，本研究旨在阐明溶胶-凝胶无机交联在多大程度上可以缓解强度与自修复之间的权衡，并指导设计出既坚固又具有适应性的壳聚糖水凝胶。

章节片段

材料和仪器

所用壳聚糖的脱乙酰度（DD）为81%，分子量（M_w）为390 kDa；购自美国圣路易斯的Sigma-Aldrich公司。根据制造商提供的信息，脱乙酰度和分子量是通过电位滴定和凝胶渗透色谱（GPC）测定的。聚乙二醇（PEG，M_w = 3.5 – 4.5 kDa）、N,N’-二环己基碳二亚胺（DCC，≥ 99%）和醋酸（≥ 99.7%）也都购自美国圣路易斯的Sigma-Aldrich公司。四甲氧硅烷（TMOS，≥ 98%）购自美国Fluka公司。

化学结构表征

合成策略依赖于对壳聚糖主链的功能化，这一点通过NMR和FTIR光谱得到了验证。DP的¹H NMR光谱在3.7、3.8、4.5、7.9、8.2和10.1 ppm处显示峰值，表明引入了PEG末端的4-甲酰苯甲酸酯基团（图1a）。在FTIR光谱（图1b）中，1725 cm^-1处的吸收峰被归因于醛基团

结论

总之，本研究展示了一种稳健的拓扑工程策略，用于解决基于壳聚糖的水凝胶在机械刚性和动态可逆性之间的权衡问题。通过比较UV交联和溶胶-凝胶无机交联途径，我们证明了原位形成的硅氧烷基无机框架可以增强壳聚糖基质，同时保持动态自修复行为。所得到的混合水凝胶CDPM表现出大约500的储能模量

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能会影响本文报道的工作。

伦理声明

本研究中所有的动物实验均遵循NIH实验室动物护理和使用指南进行，并得到了上海同仁医院伦理委员会的批准（A2023-054-01）。

CRediT作者贡献声明

Sheng-Yen Hsiao： 形式分析。Po-Ting Lee： 形式分析。Kun-Hao Luo： 写作 – 审稿与编辑，撰写 – 初稿，实验研究，形式分析，数据维护，概念构思。Chen-An Chang： 实验研究，形式分析，数据维护。Wen-Tyng Li： 监督，概念构思。Jui-Ming Yeh： 写作 – 审稿与编辑，可视化，监督，资源管理，项目协调，资金获取，形式分析，概念构思。Jolleen Natalie I.

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利益冲突声明

作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能会影响本文报道的工作。

致谢

本研究由台湾地区国家科学技术委员会（通过NSTC113-2113-M-033-005项目）和成功大学的纳米技术中心的化学系资助。

Kun-Hao Luo|Chen-An Chang|Sheng-Yen Hsiao|Po-Ting Lee|Yi-Ting Kao|Jolleen Natalie I. Balitaan|Shu-Rung Lin|Wen-Tyng Li|Jui-Ming Yeh

成功大学化学系，台湾彰化32023