《大分子快訊》商業買來混:硫醇-炔酮動態共價雙交聯可注射自愈水...

2020-12-01 騰訊網

【背景介紹】

當前，有兩種通用方法可在水凝膠纖維或聚合物鏈之間產生動態相互作用以構建可可注射自愈水凝膠：非共價鍵（例如，氫鍵，離子鍵，主體與客體的相互作用），動態共價鍵（例如硼酸酯，席夫鹼和二硫鍵）。 到目前為止，只有幾種類型的動態共價鍵（DCB）化學能滿足構建可注射自愈水凝膠的要求。一方面，某些DCB僅在惡劣條件下才可逆，從而阻礙了它們在水凝膠中的應用。例如，Diels–Alder反應通常僅在高溫下可逆，腙形成和交換需要在酸性環境。另一方面，儘管某些DCB可用於自愈水凝膠，但前體或預聚物的合成步驟過於複雜，可能會限制其應用。因此，在環境條件下運行的動態共價化學反應，同時允許簡單的水凝膠製備程序，將是開發響應性水凝膠材料有價值的拓展。

【科研摘要】

近日，荷蘭代爾夫特理工大學Rienk Eelkema教授團隊在聚合物網絡中引入動態硫醇-炔酮雙加成交聯使得能夠形成可注射自愈的聚合物水凝膠。四臂聚乙二醇（PEG）四硫醇星形聚合物通過小分子炔酮經硫醇-炔酮雙加合物交聯，在環境水性條件下（緩衝液pH = 7.4或8.2，室溫）生成水凝膠網絡。這些水凝膠的機械性能可以通過改變聚合物前體的濃度來容易地調節。通過動態硫醇-炔酮雙加成交聯，這些水凝膠可自愈和剪切稀化。該膠可以通過20G注射器針頭注入，並在擠出後回收。另外，通過細胞毒性試驗證實了這些水凝膠的良好細胞相容性。這項工作表明了巰基-炔炔烴雙加成動態共價化學可直接製備可注射自愈水凝膠，這可能會應用在未來的生物醫學，例如組織工程和藥物輸送。該研究以題為「Self-Healing Injectable Polymer Hydrogel via Dynamic Thiol-Alkynone Double Addition Cross-Links」的論文發表在5月《ACS Macro Letter》上。

【圖文探討】

1. 硫醇-炔單加成機理論述

Anslyn和同事研究了β-羰基二噻烷（硫醇炔酮雙加合物）和β-硫代-α，β-不飽和羰基（硫醇炔酮單加合物），證明小分子上硫醇-炔酮加成的可逆性（DOI: 10.1021/ol301781u）。最近幾年都有報導，發現在硫醇和共軛炔酮之間的第一次加成是不可逆的反應，但是第二步，在單加合物和第二硫醇之間的加成是可逆的反應（圖1a）。儘管硫醇-炔單加成已用於形成水凝膠和聚合物材料，但卻還沒有使用硫醇-炔酮雙加成作為可逆鍵來調節水凝膠材料性能的例子。硫醇丙烯酸酯和硫醇-苯並氰基乙酸酯的動態硫醇-麥可方法已被用作合成熱敏性聚合物材料。建議使用巰基炔烴雙加成物從PEG四巰基星形聚合物和小分子炔酮作為交聯劑構建動態交聯的水凝膠網絡（圖1b）。

圖1. 基於硫醇-炔酮雙共軛物加成的膠凝機理。（a）巰基-炔酮雙共軛物加成：第一次巰基加成是不可逆的，生成β-硫代烯酮。 形成的烯酮中的第二硫醇加成是可逆的，從而產生動態鍵。（b）通過四硫醇星形聚合物與炔酮的交聯，通過硫醇-炔酮的兩次加成形成水凝膠的示意圖。（c）在膠凝過程開始時（左）和在形成透明凝膠後0.5小時（右）後，硫醇聚合物和炔酮在PB8.2的溶液中。

2. 水凝膠固含量的影響

作者研究了將高分子量的四硫醇星形聚合物與低分子量的交聯劑3-butyn-2-one的使用。只需將3-butyn-2-one PB8.2溶液（100 μL中為0.39 μL，50 mM）和4-臂PEG巰基PB8.2溶液（25 mg聚合物（Mw = 10 kDa， ≤ 1.05），16.7 wt％）混合在一起即可室溫下炔酮和硫醇基摩爾比為1：2時，混合兩種溶液後約30分鐘的儲能模量（G'）超過了損耗模量（G''）。水凝膠（圖2a）。此過程導致形成透明的無色水凝膠，G'為3.9×103 Pa，tan δ（G'/G'）為4.0×10–3（10 wt％網絡含量）。通過流變時間和頻率掃描實驗研究了固含量（4-10 wt％；圖2b）的聚合物含量對這些水凝膠的凝膠化和力學性能的影響。 從圖2b中可以看出，對於所有水凝膠，G'在0.1至100 rad / s的振蕩頻率之間保持恆定，並且始終大於G''，這表明樣品的彈性行為和凝膠狀態。 這些水凝膠的膠凝時間和機械性能顯示出對聚合物濃度的依賴性。G'從4 wt％水凝膠的1.6×102 Pa增加到10 wt％水凝膠的3.9×103 Pa，膠凝時間從4 wt％水凝膠的約160分鐘減少到10 wt％水凝膠約30 分鐘（圖2c）。對於各種組織工程和體內應用，需要對水凝膠的機械性能進行容易的控制，其中需要水凝膠與組織之間的機械強度匹配。

圖2.水凝膠的流變性。（a）10 wt％水凝膠（γ= 1％，ω= 1 Hz，25°C）凝膠化過程的時間掃描測量。（b）固含量為4、6、8和10 wt％（γ= 1％，ω= 0.1–100 rad / s，25°C）的水凝膠的頻率掃描。（c）固體濃度為4、6、8和10重量％的水凝膠的儲能模量（G'）和膠凝時間。

3. 水凝膠對機械故障的響應。

最初，在10 wt％的Gel-PB8.2上測量流變應變掃描，以確定破壞水凝膠網絡並誘導凝膠-溶膠轉變的臨界應變值。如在圖3a中可見，當施加超過80％的應變時，G'開始顯著減小，這顯示了非線性粘彈性區域的開始。在臨界應變值為212％時有一個G'和G''的交點。接下來，對PB8.2水凝膠進行逐步應變測量，從1％應變開始，然後到300％應變，再回到1％應變，對於每個值，恆定應變間隔為1分鐘。如所示出的通過圖3b，當水凝膠進行300％的應變，G'從3.9×10降至3 Pa至8×102 Pa。δ（G''/G'）成為> 1，這表明水凝膠網絡的瓦解並轉化為粘性流體狀態。回復到1％應變導致初始G'值快速恢復並且tanδ

圖3.水凝膠的自修復和可注射特性。（a）10 wt％的Gel-PB8.2的應變掃描。（b）10 wt％ Gel-PB8.2的階躍應變測量，應變從1％轉換到300％再到1％，進行兩個循環。（c）10 wt％ Gel-PB8.2的宏觀自我修復（厚度：4mm；直徑：9mm）。（d）凝膠注射：通過20G針用手按壓8 wt％的Gel-PB8.2時，立即形成凝膠，導致直徑為0.6±0.2 mm的條形水凝膠。擠出的Gel-PB8.2允許印刷穩定的結構。

【觀點總結】

綜上，作者開發了一種基於動態硫醇-炔酮雙加成化學的新型可注射自愈水凝膠。 硫醇-炔酮的雙加成反應使動態聚合物水凝膠的合成變得容易。通過在水凝膠製備過程中改變聚合物前體的濃度，可以輕鬆調節機械性能和膠凝時間。此外，通過流變學測量以及宏觀的自愈和注射測試證實，動態硫醇-炔酮雙加成使這些水凝膠具有剪切稀化和自愈特性。 這些凝膠可以通過20G針頭注射，從而在擠出時提供穩定的凝膠物體。 48小時的細胞毒性試驗證實了這些水凝膠具有良好的生物相容性。總而言之，這些可注射自愈水凝膠在生物醫學應用（例如組織工程和藥物輸送）中顯示出有希望的潛力。

【通訊簡介】

Rienk Eelkema於1978年出生在荷蘭Utrecht（烏特勒支）附近。 他於2001年在University of Groningen（格羅寧根大學）完成了有機化學專業的化學學士學位（導師：Ben L. Feringa教授）。 然後，他繼續在組內獲得化學博士學位，研究液晶系統中的超分子化學，立體化學以及納米和微米尺度的運動。在University of Oxford（牛津大學）與皇家院士Harry L.Anderson教授完成分子線納米級絕緣領域的博士後工作之後，他於2008年加入Delft University of Technology（代爾夫特理工大學），並於2013年獲得Tenure（長聘教授）。目前研究興趣在有機合成，材料化學，軟物質，小分子和聚合物自組裝，新的合成方法，催化，光電材料以及動態和不平衡分子自組裝系統中的應用，截至17年底共發表63篇SCI。

版權聲明：「水凝膠」是由專業博士（後）創辦的非贏利性學術號，旨在分享學習交流膠體類材料學的研究進展。上述僅代表作者個人觀點且作者水平有限，如有科學不妥之處，請予以下方留言更正。如有侵權或引文不當請聯繫作者修正。商業轉載原創請聯繫編輯或頂端註明出處。感謝各位關注！

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