三種不同交聯方式的水凝膠：有啥特性？用途有哪些？
大家好，今天我們來了解一篇水凝膠文章——《Dual-Temperature/pH-Sensitive Hydrogels with Excellent Strength and Toughness Crosslinked Using Three Crosslinking Methods》發表於《Gels》。水凝膠在生物醫藥領域應用廣泛，它能存儲藥物、控制藥物釋放，還具有良好的生物相容性。但以往水凝膠的機械性能較差，限制了其應用。為解決這一問題，有研究製備了三種不同交聯方式的水凝膠，並對其進行了多項測試。這些水凝膠具有溫度和pH雙重響應性，且在熱穩定性、機械性能等方面表現出色，在生物醫藥領域具有廣闊的應用前景。接下來，我們詳細了解一下。
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一、引言
水凝膠因其具有存儲藥物、控制藥物釋放速度、良好的生物相容性和靈活性等功能，在生物醫學領域有着廣泛的應用。智能響應水凝膠能對環境刺激做出響應，其中溫度和pH是人體的重要生理參數。在人體組織病變中，這兩個值往往會發生變化，因此選擇具有適當溫度和pH刺激響應的水凝膠作為靶向治療的載體非常必要。此外，水凝膠的機械性能是其作為生物醫學材料的重要指標，但在水或複雜生理條件下，水凝膠往往會因吸水膨脹而導致機械性能大幅降低，這極大地限制了其在生物醫學領域的實際應用。為了解決這些問題，本研究製備了三種基於不同交聯方法的水凝膠，並對其性能進行了詳細的研究。
二、實驗內容
2.1 合成步驟
首先，通過DBU催化羥乙基甲基丙烯酸酯（HEMA）和丙交酯的開環聚合，合成了 HEMA-PLLAₙ和HEMA-PDLA n ，然後將其超聲形成立體複合物HEMA-(PLLA-PDLA)ₙ，該複合物通過分子間氫鍵交聯在一起。
接着，將立體複合物分別進行疊氮化和炔基化，合成了HEMA-(PLLA-PDLA)-N₃和 HEMA-(PLLA-PDLA)-alkyne，然後通過點擊反應生成三唑。
最後，通過一鍋法自由基共聚合成了三種水凝膠。具體來說，對於物理交聯水凝膠（gel1），使用HEMA-(PLLA-PDLA)ₙ、溫度敏感單體MEO₂MA和OEGMA以及pH敏感單體DEAEMA進行合成；對於物理-化學雙交聯水凝膠（gel2），在gel1的基礎上加入化學交聯劑EGDMA；對於物理-化學點擊三重交聯水凝膠（gel3），使用三唑聚合物、溫度敏感單體MEO₂MA和 OEGMA、pH敏感單體DEAEMA以及化學交聯劑EGDMA進行合成。
2.2 結構表徵
2.2.1 對大分子單體的表徵：
1H NMR：以聚合度為30的大分子單體為例，在1H NMR譜圖中，6.10 ppm（a）和5.58 ppm（b）為雙鍵的質子峰，5.27-5.08 ppm（c）與 1.63-1.53 ppm（f）為PLA重複單元的次甲基和甲基質子峰，4.41-4.28 ppm（d）為 O=COCH₂CH₂O-部分的亞甲基質子峰，1.92 ppm（e）為- (CH₃)C=CH₂基團的甲基質子峰，證明了HEMA-PLLA30的成功合成。HEMA-PLLA30和HEMA-PDL A30的1H NMR圖譜一致。
FT-IR：在FT-IR譜圖中，1753 cm⁻¹和3511 cm⁻¹（3488 cm⁻¹）分別為C=O和-OH的伸縮振動峰，1196 cm⁻¹為C-O-C的伸縮振動峰，1633 cm⁻¹為C=C的伸縮振動峰，3000 cm⁻¹ 為甲基和亞甲基的彎曲振動和伸縮振動峰，證明了大分子單體HEMA-PLLA30和HEMA- (PLLA-PDLA)的成功合成。
XRD：通過XRD研究發現，HEMA-PLLA的衍射峰出現在2 θ =17 ° ，而HEMA-(PLLA-PDLA) 的衍射峰出現在2 θ =12 ° 、21 ° 和24 ° ，大分子單體的同質峰消失，證明了PLLA和PDLA通過立體絡合形成了立體複合物HEMA-(PLLA-PDLA)。
2.2.2 對水凝膠的表徵：
FT-IR：在FT-IR譜圖中，三種水凝膠在2988 cm⁻¹和1458 cm⁻¹處均出現了-CH₃-的彎曲振動峰和伸縮振動峰，在1729 cm⁻¹處出現了-C=O-的伸縮振動峰，在1194 cm⁻¹處出現了-C-O-C-的伸縮振動峰，在1128 cm⁻¹處出現了-N⁺(CH₂)₃的振動吸收峰，證明了水凝膠的成功合成。
XRD：三種水凝膠的XRD曲線在2 θ =12 ° 處均出現了衍射峰，證明了三種水凝膠中均存在立體複合交聯。
2.3 形態分析
使用台式掃描電子顯微鏡觀察水凝膠的表面形態。三種交聯水凝膠都有許多孔隙，孔隙大小依次為gel1 > gel2 > gel3。這是因為隨着交聯模式的增加，交聯密度增大，作用點增多，孔隙逐漸變小。
2.4 溫度敏感性測試
在25 °C 和pH=7的二次去離子水中進行動態溶脹實驗，觀察水凝膠的溶脹情況，然後將溶脹平衡的水凝膠轉移到40 °C 和pH=7的二次去離子水中，觀察其退脹動力學。
不同交聯模式的水凝膠在25°C時均有明顯的溶脹，這是因為凝膠中的親水部分P (MEO₂MA-co-OEGMA)與水分子在25°C時形成氫鍵，導致凝膠吸水膨脹。溶脹率依次為gel1 > gel2 > gel3，其中物理交聯水凝膠的溶脹率最高，超過60，物理-化學雙交聯水凝膠的溶脹率約為5，三重交聯水凝膠的溶脹率僅約為3。
在40 °C 時，水凝膠的退脹率依次為gel1 < gel2 < gel3，這是因為隨着交聯點的增加和交聯密度的增大，凝膠的結構更加穩定，受外部環境的影響更小，表現為退脹率更大。
2.5 pH敏感性測試
在25 °C 和pH=5的二次去離子水中進行溶脹動力學實驗，觀察水凝膠的溶脹情況，然後將完全溶脹的水凝膠轉移到25 °C 和pH=9的二次去離子水中，觀察其退脹動力學。
水凝膠在pH=5時均有溶脹，溶脹率依次為gel1 > gel2 > gel3，其中gel1的溶脹率在8 h時達到63.14，gel2為3.71，gel3為1.20，說明gel1的體積增加顯著，gel2次之，gel3最小。這是因為在pH=5時，pH值低於添加的pH敏感單體DEAEMA 的pKa值，凝膠內部結構呈現拉伸狀態，孔隙增大，溶脹率開始增加，當pH敏感單體質子化結束時，溶脹率不再增加，曲線趨於平緩。
在pH=9時，所有三種凝膠都有收縮趨勢，這是因為環境pH高於DEAEMA的pKa值，發生去質子化，凝膠內部的靜電效應消失，結構變得緊湊，孔隙變小，凝膠開始收縮失水，表現出退脹狀態。
2.6 可逆性測試
將三種水凝膠放入23 °C 和40 °C 的水浴中，固定時間切換，並測量每次的溶脹率。水凝膠的溶脹率在溫度恆定變化時基本固定，證明其可逆性良好。
2.7 兩親性測試
將水凝膠放入25 °C 的二次去離子水和THF中，測量其隨時間的溶脹率，並拍攝水凝膠在干態、完全在水中溶脹平衡和在THF中完全溶脹平衡的照片。
水凝膠在水和THF中均有溶脹，且溶脹率先快速增加後趨於平緩，證明其具有良好的兩親性。
所有水凝膠在干態、水中和THF中均發生了溶脹，進一步證明了所有合成的水凝膠都具有兩親性。
2.8 熱穩定性測試
通過熱重測試測定水凝膠的熱穩定性。在TG圖中，gel1和gel2分別在約200 °C 和340 °C 以及200 °C 和360 °C 有兩次重量損失，而三重交聯水凝膠僅在約350 °C 有一次重量損失，且第一次失重溫度低於三重交聯水凝膠，證明三重交聯水凝膠具有良好的熱穩定性。這是因為隨着交聯密度的增加，構成凝膠三維網絡結構的作用點增多，相對熱穩定性逐漸提高。
2.9 機械性能測試
通過動態力學分析測量水凝膠的儲能模量，以響應水凝膠的物理機械性能。三種水凝膠的儲能模量曲線隨振蕩頻率的增加變化不顯著，在9Hz時，儲能模量依次為gel1 < gel2 < gel3，分別為9.96 kPa、19.77 kPa和33.81 kPa。gel1、gel2和gel3的儲能模量逐漸增加，說明gel3的機械強度最好。此外，在9Hz時，gel1、gel2和gel3的損耗角正切值分別為0.1000、0.0198和0.0338，損耗角正切值非常小，表明凝膠在外部作用力作用下主要表現為彈性，具有更好的韌性。
2.10 持續藥物釋放測試
通過模擬人體組織環境，使用PBS緩衝液改變pH和溫度，研究PBS緩衝液對藥物從水凝膠中緩慢釋放的影響。
在不同條件下，藥物釋放率最高的是gel1（c），為14.65%，藥物釋放率依次為gel1 > gel2 > gel3。在生理參數條件（b）下，gel1、gel2和gel3在168 h後的累積藥物釋放率分別為4.15%、3.70%和2.65%，均低於5%，說明載葯凝膠在正常組織中的藥物泄漏較少，降低了對正常組織的毒性。當環境變為微酸性（a）時，gel1、gel2和gel3在168 h後的累積藥物釋放率分別為 7.45%、3.4%和3.35%，與（b）相比也有所下降；當環境變為高溫（c）時，gel1、gel2和gel3在168 h後的累積藥物釋放率分別為14.65%、5.18%和3.71%，與（b）相比有所增加。
通過研究發現，溫度和pH這兩個參數對水凝膠中的藥物緩慢釋放都有影響，其中pH變化對藥物釋放的影響比溫度變化更大。在微酸性環境中，藥物能夠更快地作用於癌細胞，靶向性更強。此外，三重交聯水凝膠在改善機械性能和降低溶脹能力的情況下，對疏水性藥物的控制釋放影響不大，與雙交聯水凝膠相比，168 h後藥物累積釋放量減少不到1%。
三、結論
本研究成功合成了三種水凝膠，即物理交聯水凝膠、物理-化學雙交聯水凝膠和物理-化學點擊三重交聯水凝膠。這些水凝膠具有良好的溫度敏感性、pH 敏感性、可逆性和兩親性。隨着交聯模式的增加，水凝膠的熱穩定性和機械強度增加，實現了三重交聯水凝膠達到高熔點和更好機械性能的目的。同時，三重交聯水凝膠具有良好的生物相容性、高熱穩定性和良好的機械性能，在控制疏水性藥物釋放方面具有廣泛的應用前景。
參考文獻：
Wang J, et al. Dual-Temperature/pH-Sensitive Hydrogels with Excellent Strength and Toughness Crosslinked Using Three Crosslinking Methods. Gels. 2024 Jul 19;10(7):480.
