《ACS Applied Materials & Interfaces》：Antifouling Biopolymer Networks via Light- or Temperature-Activated and Fluorescently Traceable Crosslinking of Dextran-Azidocoumarin Conjugates
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可持续、生物相容且具有内建可追踪性的防污涂层在先进材料应用中需求日益增长。本研究报道了叠氮香豆素功能化的葡聚糖（Dex-AzC），该材料可通过氮宾介导的C–H插入交联（CHiC）形成具有固有荧光特性的葡聚糖水凝胶。尽管基于CHiC的交联是构建合成聚合物网络
可持续、生物相容且具有内建可追踪性的防污涂层在先进材料应用中需求日益增长。本研究报道了叠氮香豆素功能化的葡聚糖（Dex-AzC），该材料可通过氮宾介导的C–H插入交联（CHiC）形成具有固有荧光特性的葡聚糖水凝胶。尽管基于CHiC的交联是构建合成聚合物网络的通用方法，但其在生物基体系中的应用仍未得到充分探索。将叠氮香豆素（AzC）引入葡聚糖主链可实现通过光诱导交联形成网络，其中高温热激活作为机理验证；同时，光激活和热激活均可提供用于定性可视化的固有荧光。所制备的Dex550k-AzC水凝胶表现出随AzC含量增加而可调的力学和光学性能、pH响应性溶胀行为、优异的防污性能以及无明显细胞毒性。因此，该方法为构建具有内建可视化能力的稳定葡聚糖基水凝胶提供了一条简便途径，并凸显了CHiC交联在生物基聚合物体系中的潜力。
## 论文解读
### 一、研究背景与科学问题
天然生物聚合物，尤其是多糖类，因其固有的生物相容性、可生物降解性、化学可修饰性和低毒性，正作为合成聚合物的可持续替代品受到日益广泛的关注，目前已广泛应用于假体涂层、食品包装材料和生物医学领域。其中，葡聚糖作为一种由α-1,6-糖苷键连接的葡萄糖单元组成的中性亲水性多糖，具有独特的性能优势：其柔性聚合物主链和高密度羟基使其在水及其他极性溶剂中具有高度溶解性，且天然具备抗蛋白质吸附能力，表现出优异的防污性能。此外，其良好的生物相容性和低免疫原性已支持多种葡聚糖制剂获准临床使用。然而，传统葡聚糖网络构建方法通常依赖外加交联剂、光引发剂或有毒重金属催化剂，需在苛刻反应条件下进行，这严重损害了最终材料的固有生物相容性。同时，防污表面领域存在一个关键操作挑战：交联程度和表面附着均匀性的监测仍然困难，传统葡聚糖涂层缺乏内在可视化工具，在不引入二次标记的情况下几乎无法无损验证涂层的成功与完整性。
C–H插入交联（CHiC）反应提供了一种有前景的替代方案。该方法利用聚合物结合的交联单元，在热或光化学激活下产生氮宾等活性物种，进而插入聚合物链的相邻C–H键，形成共价网络。叠氮香豆素（AzC）作为一种多功能CHiC构建单元，结合了高效的光/热激活与固有荧光特性：激活时产生的氮宾中间体可插入相邻C–H键实现共价交联，同时激活过程"开启"香豆素部分的荧光性质，实现直接的内建光学可视化。尽管AzC已作为光亲和标记（PAL）分析工具用于瞬时生物分子相互作用研究，但其作为宏观结构交联剂的潜力从未被探索。
### 二、研究内容与总体结论
研究人员首次将AzC作为聚合物结合的交联单元用于基于CHiC的网络形成。通过聚合物类似反应，合成了AzC修饰的葡聚糖（Dex-AzC），制备了光激活和热激活材料。所得偶联物可在无需额外引发剂或催化剂的情况下，通过光或热高效交联形成水凝胶网络；同时，AzC激活产生的固有荧光实现了水凝胶网络形成的荧光可视化。该研究发表于《ACS Applied Materials》。结果表明，这种兼具可追踪性、防污性和生物基特性的表面涂层系统为葡聚糖基水凝胶的构建提供了全新途径。
### 三、主要关键技术方法
研究人员采用以下关键技术方法开展研究：通过EDC/NHS介导的酯化反应将AzC偶联至不同分子量（6、40、70和550 kDa）的葡聚糖主链；利用核磁共振波谱（NMR）、紫外-可见光谱（UV-vis）、凝胶渗透色谱（GPC）和傅里叶变换红外光谱（FTIR）对偶联物进行结构与取代度表征；通过紫外光（320–520 nm）照射或无溶剂热激活（150 °C）触发CHiC交联；采用扫描电子显微镜（SEM）、流变学分析、溶胀实验、热重分析（TGA）等表征水凝胶的微观结构、力学性能和热稳定性；以罗丹明B标记的牛血清白蛋白（RB-BSA）、大肠杆菌（E. coli）和小鼠成纤维细胞（L929）评价防污性能；按照ISO 10993-5:2009标准进行浸提液细胞相容性评价，包括MTT法和流式细胞术（7-AAD染色）。
### 四、研究结果
**3.1 合成与表征。** 通过1H NMR、UV-vis和GPC分析证实AzC成功共价连接到葡聚糖主链，偶联物水溶性保持良好。AzC取代度随投料比增加而系统性提高，但实测值低于投料比，归因于多糖修饰中的位阻效应。GPC显示功能化过程未引起明显链断裂或非预期交联，聚合物结构完整性得以保持。
**3.2 光与温度诱导交联。** 所有合成的偶联物（Dex6k、Dex40k、Dex70k、Dex550k，各含2%、5%、10% AzC取代）均进行了交联测试，但仅Dex550k-5% AzC和Dex550k-10% AzC能够形成稳定水凝胶，表明长链和高取代度是有效网络形成的必要条件。无溶剂条件下的紫外交联可减少活性中间体与溶剂的副反应，显著提高网络形成效率。
**3.3 结构、物理化学与力学表征。** 共聚焦显微镜显示，Dex550k-10% AzC水凝胶比Dex550k-5% AzC表现出更强的均匀荧光发射（约450 nm），荧光强度约为后者的2.5倍。SEM显示Dex550k-5% AzC具有疏松多孔的蜂窝状结构（孔径9.5 ± 2.1 μm），而Dex550k-10% AzC呈现更致密的结构（孔径3.0 ± 0.6 μm）。FTIR证实水凝胶保留了葡聚糖主链结构完整性。溶胀实验显示两种水凝胶在中性pH下具有高且稳定的溶胀率（分别为2096%和2186%），在pH 4.0下溶胀有所降低，在pH 9.0下因酯键水解而逐渐解体。TGA表明AzC引入不影响材料的热稳定性。流变学测试显示Dex550k-5% AzC的储能模量（G′）约为27.8 Pa，而Dex550k-10% AzC的G′约为139 Pa，增加约5倍，表明可通过AzC取代度精确调控水凝胶的力学刚度。
**3.4 防污性能。** 蛋白质吸附实验显示，Dex550k-AzC水凝胶涂层几乎完全抑制了RB-BSA的吸附，显著优于GLYMO对照和天然葡聚糖涂层。细菌粘附实验表明，Dex550k-10% AzC表面几乎完全无大肠杆菌粘附，Dex550k-5% AzC仅见少量孤立细菌。细胞粘附实验中，Dex550k-10% AzC涂层上仅观察到极少数L929成纤维细胞，且呈圆形未铺展形态，表现出强烈的抗细胞粘附特性。上述防污效果归因于高水合三维网络形成的位阻和熵排斥屏障。
**3.5 细胞相容性评价。** 浸提液培养72 h后，L929细胞形态与未处理对照几乎一致，保持良好铺展状态。MTT实验显示两种水凝胶浸提液处理的细胞相对活性为87–90%，而阳性对照环己酰亚胺（CHX）将细胞活性降至约7%。流式细胞术（7-AAD染色）显示水凝胶浸提液处理的细胞死亡率为6–8%，与未处理对照（8–9%）相当，而阳性对照嘌呤霉素导致约50%细胞死亡。三种分析一致证实Dex-AzC水凝胶无细胞毒性。
### 五、结论翻译
研究人员利用EDC/NHS偶联成功合成了具有可调取代度的Dex-AzC偶联物。在紫外或热激活下，含5–10% AzC取代的高分子量葡聚糖（550 kDa）在不使用任何外部引发剂或催化剂的情况下获得了稳定水凝胶。值得注意的是，在无溶剂条件下进行紫外诱导CHiC反应可减轻溶剂介导的副反应，显著提高网络形成效率。所得的Dex550k-AzC水凝胶表现出固有荧光，无需额外标记即可直接可视化水凝胶和涂层的形成。增加AzC含量导致荧光增强、微观结构更致密、力学刚度提高，这一结果得到共聚焦显微镜、SEM和流变学测量的支持。该水凝胶具有高度多孔结构和中性条件下的显著溶胀行为，碱性条件下则经历水解并逐渐溶解。热分析表明，AzC的引入不影响葡聚糖交联网络的稳定性。此外，Dex550k-AzC水凝胶表现出强防污性能，与对照表面相比显著减少了蛋白质吸附、细菌和成纤维细胞粘附。所有水凝胶均表现出高细胞相容性。因此，该研究提出了一种新型固有荧光Dex-AzC水凝胶系统，实现了无引发剂CHiC交联和可调网络性能。通过AzC含量调节荧光强度、网络形成和力学行为的能力为设计功能性葡聚糖基材料提供了灵活性，并凸显了CHiC交联在生物基聚合物系统中的潜力。结合固有荧光、强防污性能和良好细胞相容性，Dex550k-AzC水凝胶非常适合用于防污水凝胶涂层和生物医学界面，特别是在需要材料可视化和追踪的应用场景中，如传感器或质量控制领域。
