三共軛光/溫度/pH敏感殼聚糖與生物工程應用的智能響應

供稿人：張晨蕊 王玲 供稿單位：西安交通大學機械制造系統(tǒng)工程國家重點實驗室　


雜交交聯體系可以通過熱和可見光形成，提高水凝膠在生理條件下的穩(wěn)定性。然而，它們的實際應用仍然存在一些挑戰(zhàn)，如在培養(yǎng)基條件下的收縮或小腸中的中性pH。本文設計并制備了一種具有外部條件響應的多敏水凝膠，作為生物工程中3D打印的生物聚合物油墨配方具有十分重要的意義。此外，NS-HBC-MA水凝膠具有良好的生物相容性和生物降解性。本研究表明，NS-HBC-MA水凝膠在各種應用中具有巨大的潛力，包括傷口愈合、輸送系統(tǒng)和組織工程。本研究的重點是NS-HBC-MA水凝膠的制備和表征，以及所制備的水凝膠對光、溫度和pH刺激的響應行為。評價了水凝膠的流變學性質、溶脹、降解和生物相容性。

圖1(a)為NS-HBC-MA的制備過程，圖中CHI中的羥基丁基取代物顯示為紅色。甲基丙烯酸化和琥珀�；�分別用藍色和綠色表示。將NS-HBC-MA 5 %（w/v）溶解于去離子水中，與0.5 %（w/v）LAP光引發(fā)劑和0.1 %（w/v）黃色顏料混合，然后將pH調整至7.4。使用3D打印的方式打印出待使用與測試的水凝膠樣品。圖1(b)(c)分別為其成分光譜，對樣品的成分進行確認。

圖1 NS-HBC-MA樣品制備過程及成分測定

圖2分別為水凝膠樣品在中性pH下，溫度變化的情況下表現出的凝膠轉化特性，其中圖2(g)為溫度誘導的NS-HBC-MA溶液的溶膠-凝膠轉變示意圖。在低溫條件下，羥基丁基的疏水性可歸因于其高分散性。在凝膠化溫度以上，HBC-MA之間的疏水相互作用增加，導致聚合物溶液的聚集和凝固。NS-HBC-MA中琥珀酰基的存在減少了疏水相互作用，需要高溫才能形成水凝膠。這表明琥珀�；�的程度影響了聚合物溶液的凝膠化性質，且由圖可以看出，溶液的凝膠化溫度隨溶液濃度的增加而下降，這些結果表明，NS-HBC-MA在生理溫度下可以形成水凝膠，而琥珀�；�的程度和濃度對其凝膠化溫度有很強的影響，度交聯在功能上被證實是NS-HBC-MA的一種行為。

圖2 NS-HBC-MA水凝膠隨溫度變化的行為

圖3為在光引發(fā)劑存在下，光誘導的NS-HBC-MA溶液的溶膠-凝膠轉變示意圖。從圖中可以看出，隨著光照時間的增加，一些生物聚合物開始形成聚集，并逐漸從液體轉變?yōu)楣虘B(tài)，隨添加生物聚合物濃度的變化，凝膠化時間也在發(fā)生變化。光流變學結果證實了NS-HBC-MA的光敏行為，為3D打印提供了最佳的曝光時間。

圖3 NS-HBC-MA水凝膠隨曝光變化的行為

圖4為pH影響下，NS-HBC-MA水凝膠的變化行為，圖4(d)為雜化交聯NS-HBC-MA水凝膠中pH依賴的溶脹行為示意圖。所有水凝膠樣品的溶脹率均隨pH值的變化而變化。雜化交聯水凝膠在第一天的膨脹率迅速增加，然后在整個試驗期間保持不變。在pH為37◦C的3.0緩沖溶液中，HBC-MA水凝膠在兩種不同程度的琥珀酰化作用下的溶脹比大于NS-HBC-MA。HBC-MA的膨脹比隨pH值的增加而降低，在pH值為7.4時出現收縮行為。在pH值為7.4的24小時后，混合交聯的HBC-MA水凝膠收縮了約42%。這種行為可以歸因于初級氨基（−氨+）在低pH值下的質子化，以及由于它們之間的靜電排斥而導致的水凝膠網絡的膨脹。在中性pH條件下，大部分初級氨基（-nh2）被去質子化。由于不帶電的氨基之間沒有靜電相互作用，導致了快速收縮，由于聚合物鏈中存在琥珀基，大部分羧基（-COOH）在酸性溶液中統(tǒng)一化，降低了水凝膠的膨脹能力。

這一過程可以應用于水凝膠作為載體，實現藥物特異性的釋放。

圖4 NS-HBC-MA水凝膠隨pH變化的行為

圖5為3D打印的方式對復合交聯水凝膠進行打印，并進行了細胞學實驗，打印出的樣品依照模型具有清楚的邊界，具有較好的完整性與很高的分辨率，且細胞學實驗證明交聯水凝膠具有很好的生物相容性。

圖5 3D打印NS-HBC-MA水凝膠及細胞相容性實驗

本文從NS-HBC-MA中制備了一種新型的光/溫度/pH敏感水凝膠體系，流變學試驗驗證了所制備的水凝膠的溫度和光敏行為；3D打印的混合交聯水凝膠具有高多孔性，其微孔結構隨pH的變化而變化。雜化交聯水凝膠表現出pH響應性溶脹。其膨脹反應隨pH值、溫度和琥珀酰化程度的不同而變化。雜交交聯的NS-HBC-MA水凝膠在含溶菌酶的緩沖液中被降解。取代程度影響凝膠溫度、組織、膨脹率和水凝膠的降解。此外，NS-HBC-MA具有良好的生物相容性，并促進細胞生長。使用NS-HBC-MA的3D打印對象顯示了良好的完整性和分辨率，證明了該配方對3D生物打印的適用性。因此，三聯體偶聯殼聚糖及其水凝膠可應用于傷口愈合、藥物傳遞和組織工程等方面。

參考文獻：
Che Q T, Charoensri K, Seo J W, et al. Triple-conjugated photo-/temperature-/pH-sensitive chitosan with an intelligent response for bioengineering applications [J]. Carbohydrate Polymers, 2022, 298.