康奈爾大學王亞冬團隊《AM》：螯合交聯製備生物可降解彈性體

2020-09-25 高分子科學前沿

彈性體的玻璃化轉變溫度（Tg）低於室溫，且具有可逆變形能力。彈性性能對於維持天然生物組織（如心臟、肺、血管、皮膚等）及人造結構（如密封墊圈、軟管、輪胎等）的功能至關重要。共價鍵將無規捲曲的聚合物連接形成彈性體，如彈性蛋白、硫化橡膠等，其化學性質決定了在彈性體中的交聯網絡結構。而弱鍵交聯彈性體通常表現為更大的塑性。因此，一般需對聚合物進行設計來獲得特定功能的彈性體，這使得彈性體的製備變得困難，並限制了其通用性和應用範圍。如何設計合適的鍵合作用來獲得特定功能的彈性體呢？這變得非常重要。

【工作亮點】

針對這一問題，近期美國康奈爾大學王亞冬教授團隊開展了系統深入的研究，考察了配位鍵類型、配體類型、聚合物主鏈和金屬離子種類，通過將高度通用的、弱於共價鍵但強於弱鍵鍵合作用的螯合鍵引入到彈性體中，通過調控不同種類金屬離子與配體螯合，開發了不同機械性能和生物降解性的彈性體。與廣泛使用的生物材料聚己內酯相比，小鼠模型顯示其與皮下組織的相容性更高，降解後植入部位恢復正常，所報導的生物可降解彈性體將為生物醫學以及其他領域提供更多可能性。相關工作以「Chelation Crosslinking of Biodegradable Elastomers」為題發表在國際材料學領域頂級期刊《先進材料》（Advanced Materials）。

【圖文分析】

帶有兩個羥基和一個酚的席夫鹼配體HPA是通過簡單的縮合反應合成的，癸二酸、1,3-丙二醇和HPA縮聚反應產生聚丙二醇-co-（羥基苯基亞甲基）氨基丙二醇癸二酸酯）（PAS）嵌段共聚物，1,3-丙二醇和HPA的羥基轉化為聚酯骨架的酯鍵，而酚氧基和席夫鹼則作為側基，通過調節二醇中HPA的摩爾百分比，可以合成出含有三種不同密度的配體體（分別為6％，9％和14％）的PAS聚合物。該嵌段聚合物可結合多種金屬離子發生螯合作用，且一個配體可結合多個金屬離子以產生不同強度的鍵合作用，從而製備具有不同特性的彈性體。添加金屬離子（例如鐵）後PAS溶液立即凝膠化，表明發生交聯；在競爭性配體存在下，螯合鍵應該是可逆的，在加入乙二胺四乙酸（EDTA）的1分鐘內，凝膠又變成溶液。

圖1 材嵌段聚合物設計和表徵

未交聯的PAS聚合物可以加工成各種形狀，因為它會熔化成液體並溶於常見的有機溶劑，例如丙酮、四氫呋喃等；將M-PAS製成薄膜、泡沫和多孔管，以9-Cu-PAS為例，薄膜和泡沫表現出優異的彈性，9-Cu-PAS多孔管的孔隙率約為65％，可以反覆扭曲而不會變形。M-PAS的酯骨架通過水解降解，在含有NaOH的PBS溶液中可加速體外降解，M-PAS彈性體的降解速率隨金屬離子而變化，與它們不同的金屬-配體螯合強度有關。彈性體形成過程中金屬-配體發生交聯，其螯合鍵的不同強度決定了交聯聚合物的穩定性，在EDTA存在下，6-M-PAS更快降解表明金屬配位鍵將聚合物網絡保持在一起，並且交聯可以被另一個配體逆轉，這提供了控制聚合物降解的一種新方法。MTT分析證明對14-Fe-PAS和PCL具有相同的代謝活性，結果表明，14-Fe-PAS至少在體外具有與PCL相同的細胞相容性。

圖2 M-PAS的多功能性、降解性和細胞相容性

以9-Fe-PAS為例，研究發現通過控制交聯可獲得不同機械性能的彈性體，當配體/金屬的摩爾比從2增加到6時，斷裂應變從144± 9.20％增加至394 ± 42.6％，拉伸強度從1127 ± 57.86降低至552 ± 55.59 kPa，楊氏模量從2125± 190.25減少至674 ±121.34 kPa，韌性保持在1000 kJ m - 3左右。Fe3+含量減少，薄膜更柔韌具有更高的可拉伸性，較少的交聯劑導致交聯之間的聚合物鏈更長，從而更具彈性。在給定的配體密度下，不同的金屬具有不同的螯合鍵強度，對於選擇金屬離子獲得具有特定機械性能的彈性體以滿足特定應用的需求至關重要。通過配位鍵交聯的優點是可以在同一聚合物網絡中使用金屬離子的混合物。對14-M-PAS膜進行了磁滯測試，所有薄膜都可以承受至少100個循環的循環載荷而不會破裂，金屬離子決定了14-M-PAS的彈性反衝力，隨著循環的增加，應力降低表明鍵斷裂會耗散能量，Fe3+交聯聚合物彈性最大，表明Fe3+與PAS的強烈螯合，彈性主要來源於金屬離子螯合鍵的快速動態締合和解離。

圖3 通過配體/金屬比、配體密度和金屬離子類型調控M-PAS機械性能

以14-Fe-PAS為例，通過小鼠皮下植入評估生物相容性。以生物相容性良好的PCL作為對照，將大小相同的14-Fe-PAS泡沫和PCL泡沫對稱地植入同一隻小鼠的背部，所有小鼠均存活下來，在植入部位無感染；14天後，植入物邊緣可見明顯的圓滑，這可能是由於降解所致，第28天細胞滲透到整個具有纖維血管組織的植入物中並且開始大量降解，這是由聚合物含量降低所致，組織學分析表明大多數14-Fe-PAS在第84天時已降解，而在84 d後PCL植入物仍保持其形狀，尺寸變化不大。以上結果表明14-Fe-PAS在體內的降解速度比PCL快，且其降解速率比體外的PCL高4.67倍。然而，14-Fe-PAS和PCL植入物周圍的組織均顯示出輕微的不良反應，如炎症和纖維化，但PCL的炎症反應比14-Fe-PAS稍強，14-Fe-PAS的降解速度比PCL快，在植入部位的微環境中降解產物的濃度更高，在皮下環境中，14-Fe-PAS誘導的炎症反應比PCL輕。

圖4 在小鼠皮下植入14-Fe-PAS泡沫及其可降解性

【總結】

本文研究了金屬交聯螯合鍵在生物降解彈性體中的多功能性，通過在聚合物中引入不同類型的金屬離子，調控金屬與配體的比例以及聚合物中的配體密度，可獲得系列可調機械性能的彈性體，其生物相容性與PCL生物相容性相匹配，為可生物降解彈性體的發展開闢了新的途徑，以改善軟組織的重建和再生。本文提出的金屬離子螯合交聯機理為許多新的研究提供了可能，如引入不同類型的金屬離子、探索其他類型的配體等，為賦予彈性體新的生物功能成為可能。

原文連結：

https://doi.org/10.1002/adma.202003761

來源：高分子科學前沿

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