【前沿背景】
生物組織可以優雅地採用不同的自我保護策略，以響應外部機械應力引起的變形來維持其結構完整性和生物學功能。例如，微管，肌動蛋白，膠原蛋白和中間細絲的生物組件可以在被拉到骨折之前變硬（即，隨著所施加的應變或應力的增加，它們的剛度也會增加）。應變增強能力不僅限制了生物組織。從變形起，但在各種生物過程中也起著重要作用，例如細胞分化和長距離細胞間通信。在生物工程應用中，賦予合成軟材料以這種應變增強能力對於模擬動態機械環境進行破譯至關重要。細胞行為和製造人造組織（例如，肌肉，皮膚，血管等），植入式執行器和軟機器人。當前的應變增強材料的設計策略主要依賴於使用具有螺旋結構的半柔性聚異氰肽（PIC）束或通過膠凝劑分子的自組裝製備的半柔性纖維，其具有固有的應變增強特性。但是，複雜的準備方法和數量有限的候選人限制了他們的應用。考慮到合成聚合物的各種合成途徑和可調功能，非常需要使用柔性合成聚合物來開發用於模仿生物組織的新型功能性水凝膠。然而，在合成的柔性水凝膠中很少觀察到應變強化行為，相反，當變形時，它們通常趨於軟化。
【科研摘要】
生物組織在受到拉傷或損壞時能夠變硬和自愈，以保持其完整性和功能性。然而，在生物相容性柔性水凝膠中模仿生物組織的應變增強和自我修復功能仍然是一個挑戰。最近，加拿大阿爾伯塔大學Ravin Narain和曾宏波院士報告了一種由兩種生物相容性聚合物構成的柔性水凝膠，可以巧妙地採用生物應變強化或自我修復策略來響應機械變形來維持結構完整性和功能性。水凝膠在應變時可以可逆地反覆硬化至其原始模量的八倍，而不會出現機械滯後現象。此外，受損的水凝膠可在幾秒鐘內反覆自愈，並充分保留了應變增強能力。此外，得益於出色的生物相容性和動態特性，仿生水凝膠可輕鬆應用於3D細胞封裝。這項工作提供了對類似組織的自我保護性軟材料的分子設計的新穎見解，這也可能會激發仿生細胞培養基質，人造組織以及用於各種生物醫學和工程應用的軟體機器人技術的發展。
【圖文解析】
1.凝膠機理
作者報導的是一種由兩種柔性線性聚合物製備的應變增強自修復水凝膠，兩者均具有出色的生物相容性（示意圖1）。在生理條件下，水凝膠是通過二苯基硼酸封端的遠螯聚乙二醇(DPB-PEG)的硼酸與糖聚合物{poly(acrylamide-co-2-lactobionamidoethyl methacrylamide) [P(AM-co-LAMEA)]}的1,2-/1,3-二醇之間的縮合反應而交聯的。所製備的水凝膠表現出顯著的仿生應變強化行為，可以通過交聯密度，聚合物濃度，溫度和交聯劑的長度輕鬆地對其進行調節。闡明了潛在的應變加強機制，即PEG的非線性拉伸和有限可擴展性，這為具有可調機械響應的功能性水凝膠的分子設計提供了新的見解。此外，由於動態的硼酸酯交聯化學作用，受損的水凝膠可在幾秒鐘內重複自愈，而不會犧牲應變增強能力。出色的仿生特性以及出色的生物相容性使水凝膠成為3D細胞封裝的理想平臺。
示意圖1.使用DPB-PEG和P(AM-co-LAEMA)製備生物相容性柔性水凝膠網絡及其對機械變形的仿生應變剛度和自愈功能。
2.硼酸/糖摩爾比的依賴性
水凝膠的聚合物濃度固定為10 w/v％時，研究了不同的硼酸/糖比對BL4k網絡力學的影響。所有樣品均顯示出清晰的線性和非線性機械響應機制，其中可以通過改變硼酸和糖基之間的摩爾比輕鬆調節G0和σc（圖1a）。隨著硼酸/糖的摩爾比從1：0.5增加到1：4，G0從32 Pa顯著增加到405 Pa（圖1b）。G0的增加可以歸因於網絡的更高的交聯密度，因為隨著糖基團數量的增加可以形成更多的硼酸酯。因此，隨著水凝膠硬度的增加，σc也從16 Pa增加到209 Pa（圖1b）。對歸一化應力（σ/σc）繪製歸一化微分模量（K'/G0）表明，硬化指數m隨硼酸/糖的摩爾比不同而變化（圖1c）。當硼酸/糖的摩爾比從1：0.5增加到1：4時，m從0.62降低到0.37（圖1d）。
圖1.在不同的硼酸/糖摩爾比下，BL4k水凝膠的機械性能（10 w/v％，T = 25°C）。（a）相對於應力σ的微分模量K'。（b）相對於硼酸/糖摩爾比的平穩模量G0和臨界應力σc。（c）相對於歸一化應力（σ/σc）的歸一化微分模量（K'/ G0）。（d）硬化指數m與硼酸/糖的摩爾比的關係。
3.聚合物濃度依賴性
製備了一系列在硼酸/糖的摩爾比= 1：1時總聚合物濃度在5.0和15.0％（w/v％）之間的BL4k水凝膠，以調節機械性能。所有樣品均表現出應變強化行為，G0和σc均強烈依賴於聚合物濃度（圖2a）。聚合物濃度降低3倍不僅使G0從約500 Pa降低至10 Pa，而且使σc從200 Pa大幅降低至10 Pa以下（圖1b），這在生物學上可承受的應力範圍內。這種依賴於濃度的網絡機制類似於各種基於膠原，肌動蛋白和纖維蛋白的生物凝膠。此外，該水凝膠的應變剛度響應也可以通過改變聚合物濃度來調節（圖2c）不同於具有分支網絡結構的半柔性水凝膠和PEI/PEG柔性水凝膠所採用的普遍應變強化行為。當聚合物濃度從5 w/v％增加到15 w/v％時，硬化指數m從0.66降低到0.47約30％（圖2d）。
圖2.在不同聚合物濃度下BL4k水凝膠的機械性能（硼酸/糖的摩爾比= 1：1，T = 25°C）。（a）相對於應力σ的微分模量K'。（b）相對於聚合物濃度的平穩模量G0和臨界應力σc。（c）相對於歸一化應力（σ/σc）的歸一化微分模量（K'/G0）。（d）硬化指數m與聚合物濃度的關係。
4.溫度依賴性
通過溫升試驗研究了溫度對BL4k力學性能的影響（硼酸/糖的摩爾比= 1：1，10 w / v％）。在加熱坡道中，儲能模量G'和損耗模量G''都隨著溫度從15升高到75°C而降低，並在反向冷卻坡道中恢復原始值。在高溫下水凝膠剛度降低最可能是由於高溫下PEG的「軟化」行為所致。然而，水凝膠在整個溫度範圍內都保持了應變加勁行為（圖3a，b），其中隨著溫度從20升高到70°C，G0和σc均下降4倍。有趣的是，在不同溫度下針對歸一化應力（σ/σc）的歸一化微分模量（K'/G0）摺疊成m≤0.6的一條主曲線（圖3c），這表明溫度對應變-剛度響應的影響有限的水凝膠。
圖3.在不同溫度下BL4k水凝膠的機械性能（硼酸/糖的摩爾比= 1：1，10 w/v％）。（a）相對於應力σ的微分模量K'。（b）平穩模量G0和相對於溫度的臨界應力σc。（c）擬合至（a）中歸一化數據的主曲線。
5.交聯劑的鏈長度依賴性
通過改變交聯分子的長度，可以進一步調整網絡機制。製備並測量了兩種交聯劑長度不同的水凝膠（BL4k和BL8k）（DPB–PEG4k和DPB–PEG8k），但聚合物濃度（10 w/v％）和硼/糖摩爾比（1：1）相同。通過較長PEG交聯的水凝膠（BL8k）的剛度小於通過較短PEG交聯的水凝膠（BL4k）的剛度，從而導致σc從94 Pa顯著降低至4.8 Pa（圖4a）。剛度的降低可以歸因於網絡結構的鬆散和混亂。在基於PIC和基於細胞骨架聚合物的凝膠中也發現了這種作用。對兩種水凝膠針對應變γ的歸一化微分模量（K'/G0）進行繪製表明，K'在非線性響應中持續增加直到達到最大應變γmax，水凝膠網絡破裂（圖4b）。加強範圍Kmax'/G0（即，相對於失效前的初始剛度的剛度增加）與網絡可以承受的最大應變密切相關。由於更長的PEG鏈具有更高的延伸性，BL8k可以維持較大的γmax，因此導致Kmax'/G0的值更高（圖4b）。
圖4. BL4k和BL8k的機械性能（硼酸/糖的摩爾比= 1：1，10 w/v％，T = 25°C）。（a）相對於應力σ的微分模量K'。（b）相對於應變（γ）的歸一化微分模量（K′/G0），其示出最大應變γmax和硬化範圍Kmax′/G0。
6.應變強化行為的可逆性和可再現性
與生物組織類似，該水凝膠由於具有可逆的應變加強能力，因此可以提供按需和有針對性的機械性能。只要連續施加適當的應變，BL4k和BL8k都可以反覆加固到指定的G'值並保持這種機械強度（圖5a，b）。一旦減小所施加的應變，水凝膠的原始機械性能立即恢復。水凝膠的應變剛度曲線遵循相同的軌跡，並且水凝膠可以可逆和反覆地硬化至其原始模量的八倍，而不會顯示出機械滯後現象（圖5c）。
圖5.（a）BL4k的循環應變階躍試驗（硼酸/糖的摩爾比= 1：1，10 w/v％，T = 25°C）；（b）BL8k的循環應變階躍試驗（硼酸/糖的摩爾比= 1：1，10 w/v％，T = 25°C）。（c）在（b）中測試的水凝膠的七個連續應變掃描。
7.應變加強機制
在該水凝膠體系中，仿生菌的應變強化行為源自PEG的非線性拉伸和有限延伸性。另一種線性聚合物P（AM-co-LAEMA）的作用是提供足夠量的1,3-二醇基團，這允許DPB-PEG的兩端通過硼酸酯的形成共價鍵合。如示意圖2所示，一旦DPB-PEG的兩端牢固結合，當受到拉緊時，PEG鏈可能像彈簧一樣起作用。在變形過程中，隨機取向的PEG鏈傾向於與應變/應力方向平行排列。當PEG鏈拉伸至其「伸直」狀態時，構象熵顯著降低，並且由於PEG鏈內共價鍵的彎曲或拉伸，柔性PEG鏈可能表現出一定的焓彈性。兩種作用的協同作用可能會引起對施加的應變/應力的反作用力，從而導致網絡的剛性響應。應變強化作用控制著水凝膠的機械性能，導致G'急劇增加，直到PEG鏈被拉伸到最大可擴展性（γmax）為止，在此發生水凝膠的破裂。
示意圖2.應變加強機理的圖示
8.自愈特性及相關的相互作用機制
當生物組織的應變增強能力無法將完整性維持在最大應變以上時，它們會採用自我修復的策略來修復損傷並恢復原始特性。應變強化水凝膠也具有這種仿生自我修復功能。如圖6a-d所示，在將兩片分離的水凝膠接觸後，水凝膠可以相互粘附，並在幾秒鐘內自動融合為一件。自修復的水凝膠可以很容易地克服自身重量提起而不會破裂。通過連續的應變掃描進一步研究了水凝膠的自愈特性。發現在高應變（γ= 6.0，高於γmax= 2.9）損壞後，受損的水凝膠不僅可以立即自我修復以恢復原始機械強度，而且還可以完全保留應變加勁能力（圖6e）。在其他具有不同聚合物濃度的水凝膠中也觀察到了類似的自我修復行為。通過執行循環應變階躍測試，可以進一步確認自我修復性能的可重複性，其中即使在反覆破壞水凝膠後，G'和G''都可以完全恢復到原始值（圖6f）。
圖6.BL4k的自愈過程（硼酸/糖= 1：1，10 w / v％，T = 25°C）。（a）原始水凝膠，（b）將水凝膠切成兩段，（c）使分離的水凝膠接觸，並且（d）可以將自愈的水凝膠提起以抵消其自身重量。（e）BL4k的順序應變掃描（硼酸/糖的摩爾比= 1：1，10 w / v％，T = 25°C）。（f）在（e）中測試的水凝膠的循環應變階躍測試。（g）力-距離曲線顯示了在三個連續的進近分離力測量中P（AM-co-LAEMA）與DPB-PEG之間的相互作用。
9.3D細胞封裝
該仿生水凝膠的潛在應用將用作人工ECM，以包裹細胞並進一步生長用於組織工程的人工組織或器官。培養癌細胞對於建立精密醫學的腫瘤組織模型尤為重要。該研究中，選擇HeLa細胞作為模型細胞，以初步研究水凝膠的細胞毒性和3D細胞包封能力。如圖7a，b所示，活細胞（綠色）佔死細胞（紅色）的大部分。24小時後，在5和10 w/v％BL4k水凝膠中，細胞活力均估計為約80％（圖7c），這證實了該水凝膠的出色生物相容性。但是，與均勻分布在10 w/v％水凝膠中的HeLa細胞的圓形形態相比，這些細胞在5 w/v％水凝膠中呈現出扁平的形態並沉入底部。結果表明，較低的材料剛度無法為細胞生長提供理想的3D環境。
圖7.在（a）5 w/v％，（b）10 w/v％BL4k水凝膠中培養的HeLa細胞的3D共聚焦顯微鏡圖像。（c）孵育24小時後進行細胞活力定量分析（活對照：DMEM + 10％FBS；死對照：70％乙醇）。從隨機選擇的五個視野中拍攝圖像，並使用Imaris Imaging Software進行定量。
【名校簡介】
阿爾伯塔大學(University of Alberta)，始建於1908年，位於加拿大阿爾伯塔省省會埃德蒙頓市中心，北薩斯喀徹溫河南岸，學校所在的阿爾伯塔省蘊藏著豐富的石油、天然氣，是加拿大的能源基地。該省也因此成為近年來加拿大經濟財政發展最興旺蓬勃的地區。阿爾伯塔大學是加拿大的一所綜合研究性大學，目前共有共有30000多名在校學生，6000多名教學人員和8000多名工作人員，學校在加拿大研究型大學排名前五，世界大學綜合排名前百。
【導師簡介】
曾宏波（Hongbo Zeng），2001年和2003年在清華大學化工系先後獲得學士和碩士學位，2007年在美國加州大學聖芭芭拉分校獲得博士學位。現為加拿大阿爾伯塔大學化學工程和材料工程系終身教授，加拿大國家講席教授，加拿大分子力和界面科學領域首席專家。曾宏波的研究方向主要包括膠體與界面科學、分子和納米力學、界面化學、高分子材料、生物材料、納米材料、多孔介質和複雜流體中的界面現象、礦物工程中的界面現象、石油工程的界面現象和汙水處理等。
參見文獻：
doi.org/10.1021/acs.chemmater.0c03526
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