雙重動態化學鍵交聯水凝膠的制備及性能

童艷萍， 肖 艷

（華東理工大學材料科學與工程學院，上海 200237）

水凝膠的結構是一種含有大量水的三維網絡，因與生物體軟組織在結構上有許多相似之處而在生物醫學領域得到了廣泛的研究和應用[1]。傳統水凝膠通過化學鍵或物理相互作用進行交聯，其交聯點和三維網絡結構相對固定，這不僅限制了細胞和營養物質在水凝膠內部的遷移和擴散，而且還會因外力作用導致凝膠結構產生不可恢復的變化[2]。采用可逆動態化學鍵構建的具有可注射和自修復特點的水凝膠已成為目前研究的熱點。Yang 等[3]基于動態酰腙鍵制備了一種新型纖維素基水凝膠，由于酰腙鍵和二硫鍵的可逆性，所得水凝膠具有良好的自修復和可注射性能，可用作小鼠胚胎成纖維細胞（NIH/3T3）培養和阿霉素的控制釋放。但目前報道的水凝膠自愈合大多不可自主修復，需要適當的外部刺激或額外添加交聯劑、催化劑等，限制了其在生物醫學領域的應用[4]。因此尋找一種溫和條件下的動態化學鍵來構筑自發自愈合水凝膠是目前該領域亟待解決的難點。

近年來，由于天然高分子凝膠材料具有生物相容性、生物可降解性等性能，其研究和開發日益引人注目[5]。天然高分子主要包括海藻酸鹽、纖維素、殼聚糖、淀粉、蛋白質等，其中基于天然蛋白質和多糖構筑的水凝膠因具有與由各種氨基酸和糖類大分子組成的細胞外基質相似的性質[6]，在生物醫用領域受起了廣泛關注。然而，天然大分子的成分通常由其來源決定，含有的官能團也比較單一，難以適應各種應用需求[7]。聚肽具有和天然蛋白質相似的結構，能通過合成技術對聚肽的序列進行精確控制[8,9]以及對側鏈進行修飾[10]以制備高性能的聚合物，拓展了其在水凝膠領域的應用[11-13]。

本文以具有良好生物相容性的聚肽-聚類肽共聚物和多糖為原料制備了基于亞胺鍵和酰腙鍵這兩種動態化學鍵的自交聯水凝膠。首先，巧妙地設計了共聚物聚（肌氨酸-co-谷氨酸芐酯）（P（Sar-co-BLG）），通過氨解反應得到水溶性良好的聚（肌氨酸-co-谷氨酸酰肼）（P（Sar-co-GH））；然后，P（Sar-co-GH）的酰肼鍵可與氧化海藻酸鈉（OSA）的醛基形成酰腙鍵，帶有氨基的羧甲基殼聚糖（CMC）與OSA 的醛基形成亞胺鍵，且酰腙鍵和亞胺鍵均可在溫和的條件下形成；最后，通過簡單混合前驅體溶液快速得到P（Sar-co-GH）-OSA-CMC 水凝膠。雙重動態化學鍵的存在賦予了水凝膠良好的注射性、pH 響應性、自修復性和良好的力學性能。體外細胞毒性實驗和細胞培養結果表明，該水凝膠對細胞無毒并能促進其生長與繁殖，有望應用于組織工程、細胞培養、藥物可控釋放等領域。

1 實驗部分

1.1 原料和試劑

肌氨酸、L-谷氨酸芐酯、高碘酸鈉（NaIO4）、亮藍、莧菜紅：分析純，上海阿拉丁生化科技股份有限公司；乙酸乙酯、四氫呋喃、正己烷、N,N-二甲基甲酰胺（DMF）：分析純，使用氫化鈣干燥并減壓蒸餾后使用，上海泰坦科技股份有限公司；正己胺：分析純，TCI（上海）化成工業發展有限公司；海藻酸鈉（200～500 MPa·s）、無水乙醚、氫化鈣：分析純，國藥集團化學試劑有限公司；三光氣、水合肼、α-蒎烯、（+）-檸檬烯、無水乙醇、硫酸（w=95%～98%）、鹽酸（w=36%～38%）、三乙胺（TEA）、鹽酸羥胺、氫氧化鈉：分析純，上海泰坦科技股份有限公司；CMC：羧化度80%，上海源葉生物科技有限公司；磷酸鹽緩沖溶液（PBS）：c=10 mmol/L，pH=7.4，HyClone 公司; CCK-8 試 劑：分 析純，Sigma-Aldrich 試劑公司; α-MEM 培養基、雙抗（青 鏈霉素混合液）：分析純，賽默飛世爾科技（中國）有限公司；Calcein-AM/PI 染色劑: 分析純，元升生物科技（上海）有限公司。

1.2 實驗步驟

1.2.1 P（Sar-co-GH）的合成[14]聚合所需的單體肌氨酸-N-羧酸內酸酐（Sar-NCA）與谷氨酸芐酯-N-羧酸內酸酐（BLG-NCA）參照文獻[14]的步驟制備。在通氬氣下稱取1.42 g（12.3 mmol）的Sar-NCA 與867 mg（3.29 mmol）BLG-NCA 溶解于20 mL 無水DMF 中，待溶解后加入的1.38 mL 正己胺的DMF 溶液 （59.5 mmol/L）。將容器密封并在室溫下攪拌72 h，將聚合物在無水乙醚中沉降并離心（8 000 r/min，5 min），使用超聲將沉淀物重新懸浮在新的無水乙醚中，離心和懸浮的過程重復3 次。最后將共聚物在真空下干燥至恒重，得到P（Sarco-BLG）。稱取一定量的P（Sar-co-BLG）溶解于DMF 中，然后加入共聚物質量20 倍的水合肼（w = 80%）[15]，在40 ℃下反應48 h，將產物用截留分子量為7 000 的透析袋在去離子水中透析3 d，將透析液冷凍干燥3 d，凍干后得到的白色絮狀物即為P（Sar-co-GH），產物于低溫干燥處保存備用。電導滴定儀[16]測得其含有酰肼基團（2.43 ± 0.31） mmol/g。

1.2.2 OSA 的制備[17]以乙醇溶液（φ=0.5）為溶劑，將5 g 海藻酸鈉分散在50 mL 乙醇溶液中。然后將NaIO4（其物質的量是海藻酸鈉糖單元的0.5 倍）溶于50 mL 去離子水中，并加入海藻酸鈉的乙醇溶液中，在黑暗環境下于25 ℃攪拌6 h 后，用過量的乙二醇（―OH 與NaIO4的物質的量之比為3∶1）淬滅0.5 h 后，立即將反應液裝入透析袋（截留分子量為14×103）中，于去離子水中透析5 d。最后收集透析液并凍干，得到最終的純化產物OSA。OSA 的氧化度采用鹽酸羥胺滴定法[18]測定，每個樣品滴定3 次，測得醛基含量為（4.47 ±0.23） mmol/g，實際氧化度為（44 ± 2）%。

1.2.3 水凝膠的制備 稱取一定量的P（Sar-co-GH）和CMC 溶解在PBS 中形成溶液，稱取OSA 溶解在PBS中形成溶液。將兩種溶液混合均勻，得到P（Sar-co-GH）-OSA-CMC 水凝膠。其中OSA 中的醛基（―CHO）物質的量與P（Sar-co-GH）中的酰肼基團（―CONHNH2）、CMC 中的氨基（―NH2）物質的量之和相等，水凝膠的總質量分數設定為7%。定義R1=n（―CONHNH2）/n（―CHO），R2=n（―NH2）/n（―CHO）。CMC 中氨基的含量根據文獻[19]進行滴定，每個樣品重復測定3 次取平均值，計算得到氨基的含量為（1.21 ± 0.18） mmol/g。

1.2.4 水凝膠中的細胞培養 將P（Sar-co-GH）和CMC 的PBS 溶液與OSA 的PBS 溶液使用紫外光滅菌30 min （設定R1=R2=0.5）。向24 孔板中加入20 μL NIH/3T3 細胞（1 mL 溶液中約含1×107個細胞），然后再將P（Sar-co-GH）和CMC 的PBS 溶液和OSA 的PBS 溶液分別加入孔板中混合均勻制得載有細胞的水凝膠，于培養箱中培養15 min 后，加入2.5 mL α-MEM 培養基，之后在37 ℃、體積分數為5% CO2的培養箱中培養24、48 h，觀察細胞生長情況。觀察時加入200 μL 死/活細胞染色劑Calcein-AM/PI 染色30 min，然后用熒光倒置顯微鏡觀察細胞生長情況。

1.3 表征

核磁共振波譜儀（瑞士布魯克公司AVANCE Ⅲ型）：將P（Sar-co-BLG）溶于氘代二甲基亞砜（DMSO-d6）中，經400 MHz 核磁共振波譜儀于25 ℃測試; 將P（Sar-co-GH）溶于氘代三氟乙酸（CF3COOD）中，經500 MHz核磁共振波譜儀于25 ℃測試；傅里葉變換紅外光譜儀（美國熱電公司Nicolet 6700 型）：使用溴化鉀壓片法，光譜范圍4 000～500 cm?1；凝膠滲透色譜儀（美國沃特世有限公司Waters 1515 型）：以聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）為標樣、DMF 為流動相溶劑；電導滴定儀（中國禾工科學儀器有限公司 AT-6 型）：以0.1 mol/L NaOH溶液作為滴定液，每個樣品測3 次取平均值；旋轉流變儀（美國Thermo Hakke 公司MARS Ⅲ型）：采用變頻掃描模式，固定應變為1%，頻率范圍為0.1～10 Hz，相應的強度測試（儲能模量（G′）和損耗模量（G′′））采用厚度為1.5 mm、直徑為20 mm 的圓盤形試樣；熒光倒置顯微鏡（日本尼康公司Eclipse Ti-S 型）：細胞經死/活細胞染色劑染色后于不同激發光下觀察形貌；酶標儀（美國伯樂公司Bio-Rad 550 型）：測試各樣品在450 nm 處的吸光度。

1.4 性能測試

1.4.1 水凝膠的注射性能 選擇R1=R2=0.5 的P（Sar-co-GH）-OSA-CMC 水凝膠作為實例。水凝膠前驅體溶液使用莧菜紅進行染色，將其裝入帶有23 G 針頭的5 mL 注射器中。注射時推動注射器活塞在板上書寫字母。

1.4.2 水凝膠的自修復性能 將由莧菜紅和亮藍染色的2 個圓盤狀水凝膠（R1=R2=0.5）分別切成兩半。隨后，將2 個不同顏色的半圓放在原始模具中（直徑35 mm），并在室溫下濕潤環境中放置12 h。肉眼直接觀察判斷P（Sar-co-GH）-OSA-CMC 水凝膠是否具備自愈合能力。

1.4.3 水凝膠的pH 響應性 取2 g P（Sar-co-GH）-OSA-CMC 凝膠（R1=R2=0.5）并用亮藍染色以便更好地觀察。對于凝膠-溶膠轉變，加入80 μL 鹽酸（6 mol/L）處理水凝膠；對于溶膠-凝膠轉變，用65 μL TEA 處理溶膠以中和酸，此過程重復數次。

1.4.4 細胞活性 將共聚物的PBS 溶液經0.22 μm 濾膜過濾除菌。將NIH/3T3 接種到96 孔板中（1 mL 溶液中約含1×105個細胞），然后在培養箱中培養24 h 至細胞貼壁。將培養液取出并加入不同濃度的聚合物溶液繼續培養24 h 后，向每孔中加入20 μL CCK-8 溶液以及200 μL α-MEM 培養基，培養1.5 h 后每孔取50 μL 溶液用酶標儀在激發波長450 nm 處測吸光度（ODSample）。未加聚合物的培養基為控制組，所測得的吸光度為ODControl，細胞活性即為ODSample與ODControl的比值。

1.4.5 細胞毒性 將凍干的水凝膠（R1=R2=0.5）樣品經紫外燈照射30 min 除菌后，按水凝膠與培養基的體積比為1∶10 浸入α-MEM 完全培養基中，在37 °C 浸泡72 h 制得水凝膠的浸提液。將NIH/3T3 接種到96 孔板中，并在水凝膠浸提液中培養24、48、72 h 后測定吸光度并計算細胞活性。

2 結果與討論

2.1 水凝膠的結構表征

圖1（a）為P（Sar-co-BLG）的核磁共振氫譜圖，a 峰是引發劑正己胺的端甲基質子峰，c 峰是肌氨酸鏈段上氮原子上的甲基峰，g 峰對應著芐基上亞甲基質子峰，h 峰對應著芐基的苯環質子峰。P（Sar-co-BLG）的聚合度可以通過各峰的積分面積比算出，設計Sar 與BLG 的聚合度分別為150 和40，產物標記為P（Sar150-co-BLG40），經核磁算出Sar 與 BLG 的實際聚合度為151 和38。圖1（b）為P（Sar-co-GH）的核磁共振氫譜圖，與P（Sar-co-BLG）相比，對應著芐基上亞甲基質子的g 峰和苯環的h 峰已完全消失，說明芐基已完全脫除。

圖 1 P（Sar-co-BLG）（a）與P（Sar-co-GH）（b）的核磁共振氫譜圖；（c）P（Sar-co-BLG）和P（Sar-co-GH）的紅外譜圖；（d）P（Sar-co-BLG）的GPC 曲線Fig. 1 1H-NMR spectra of P（Sar-co-BLG） （a） and P（Sar-co-GH） （b）; （c） FT-IR spectra of P（Sar-co-BLG） and P（Sar-co-GH）; （d） GPC curve of P（Sar-co-BLG）

通過對比P（Sar-co-BLG）和P（Sar-co-GH）的紅外譜圖（圖1（c））可以看出，P（Sar-co-BLG）的紅外譜圖上位于1 737 cm?1處谷氨酸芐酯單元上芐酯的羧羰基（C=O）伸縮振動峰消失，746 cm?1及698 cm?1處的單取代苯環特征峰也消失，而P（Sar-co-GH）紅外譜圖中1 649 cm?1及1 525 cm?1處出現了酰肼C―N 振動信號峰，這些峰的變化證明了芐基的脫除以及酰肼鍵的形成,說明已成功合成P（Sar-co-GH）。

P（Sar-co-BLG）的GPC 曲線（圖1（d））呈現單峰且服從正態分布，說明制得相對均一的P（Sar-co-BLG），且其合成過程可控。GPC 測得數均分子量為1.32×104，分子量分布（1.14）較窄。

2.2 水凝膠的形成機理及性能測試

2.2.1 水凝膠的形成機理 水凝膠的制備如圖2（a）所示，通過小瓶倒置法[20]確認已形成P（Sar-co-GH）-OSACMC 水凝膠。在生理pH 和室溫下，將OSA 的PBS 溶液與P（Sar-co-GH）和CMC 的PBS 溶液均勻混合后，在不到30 s 內，小瓶子里的流體混合物即轉化為穩定的凝膠態，其成膠機理圖如圖2（b）所示。

圖 2 水凝膠的（a）制備與（b）成膠機理Fig. 2 （a） Preparation and （b） gelation mechanism of the hydrogels

水凝膠樣品的紅外光譜如圖3 所示。OSA 在1 727 cm?1處的醛基（C=O）對稱伸縮振動吸收峰在凍干的P（Sar-co-GH）-OSA 以及P（Sar-co-GH）-OSA-CMC 凝膠的紅外光譜中完全消失。同時，在P（Sar-co-GH）-OSA的紅外譜圖中，1 634 cm?1處出現酰腙鍵的羰基峰，證實了OSA 與P（Sar-co-GH）之間發生了反應。此外，在P（Sar-co-GH）-OSA-CMC 的紅外譜圖中檢測到源自CMC 的1 421 cm?1處的羧酸基團（―COO–）對稱伸縮振動峰。在1 637 cm?1處觀察到新的亞胺（C=N）伸縮振動吸收峰，表明CMC 和OSA 之間反應形成了亞胺鍵。以上吸收峰的變化證明了亞胺鍵和酰腙鍵的形成。

2.2.2 水凝膠的流變學性能測試 圖4 為P（Sar-co-GH）-OSA-CMC 水凝膠的流變圖。從圖4 可以看出，各樣品的G'始終大于G''，且幾乎不隨頻率變化，說明整個體系處于凝膠態。隨著R1的增大，水凝膠中P（Sar-co-GH）和酰腙鍵的比例逐漸增大，對應的CMC 和亞胺鍵的比例逐漸減小。水凝膠的G'表現出先增大后減小的趨勢，當R1從0 增大到0.5 時，G'從2 900 Pa 增大到最大值5 690 Pa，G'的增大可能是由于體系中存在更多酰腙鍵，而酰腙鍵的穩定性大于亞胺鍵所致。當R1繼續由0.5 增大到1 時，G'迅速降到了840 Pa，這可能是由于體系中高分子量的CMC 大量減少，導致其力學性能急劇下降。綜合來看，通過調節P（Sar-co-GH）-OSA-CMC水凝膠中亞胺鍵和酰腙鍵的比例可以得到具有較好力學性能的水凝膠。

圖 3 樣品的紅外譜圖Fig. 3 FT-IR spectra of samples

圖 4 P（Sar-co-GH）-OSA-CMC 水凝膠的流變圖Fig. 4 Rheological curves of P（Sar-co-GH）-OSA-CMC hydrogels

2.2.3 水凝膠的注射性能 將經莧菜紅染色的水凝膠前驅體溶液裝入容量為5 mL 的注射器后，推動注射器活塞將其從注射器的針頭中擠出后可順利地在板上寫出字母“ECUST”（圖5），這表明基于亞胺鍵和酰腙鍵交聯的P（Sar-co-GH）-OSA-CMC 水凝膠具有良好的可注射性。

圖 5 P（Sar-co-GH）-OSA-CMC 凝膠的注射過程Fig. 5 Injectable process of P（Sar-co-GH）-OSA-CMC hydrogel

2.2.4 水凝膠的自修復性能 如圖6 所示，取2 個水凝膠分別被莧菜紅和亮藍染色，并分別切成兩半。隨后在室溫且沒有任何外部干預的情況下，將2 個不同顏色的半圓沿著切割線保持緊密接觸12 h。在愈合過程中，2 種染料分子不斷地在切割表面擴散，并相互滲透，最終完全融合成一體，所得水凝膠與修復前的水凝膠無明顯差異，且能夠承受沿切割表面垂直方向的自身重力而不分裂。

圖 6 水凝膠的自修復性能Fig. 6 Property of self-healing process of hydrogel

2.2.5 水凝膠的pH 響應性 如圖7 所示，加入鹽酸后，P（Sar-co-GH）-OSA-CMC 水凝膠完全變成液體；加入TEA 中和鹽酸后，溶液重新變回凝膠態。通過反復添加鹽酸和TEA，水凝膠能夠顯示出溶膠-凝膠轉變過程，且在添加鹽酸和TEA 前后水凝膠的形態沒有顯著差異，所以制備的這種動態交聯水凝膠具有pH 響應性。這是由于亞胺鍵和酰腙鍵是對pH 變化比較敏感的動態化學鍵，水凝膠的pH 響應性可以解釋為在pH 刺激下亞胺鍵和酰腙鍵可逆的斷裂和重構，從而在宏觀上出現溶膠-凝膠轉變。

圖 7 P（Sar-co-GH）-OSA-CMC 水凝膠的可逆pH 響應性溶膠-凝膠轉變Fig. 7 Reversible pH-responsive sol-gel transition of P（Sar-co-GH）-OSA-CMC hydrogel

2.3 體外細胞毒性與細胞培養

圖8（a）給出了NIH/3T3 在不同質量濃度的P（Sar-co-GH）溶液中培養24 h 后的細胞活性。從圖中可以看到，細胞在不同質量濃度的共聚物溶液中培養后，細胞活性均在90%以上，這表明細胞能夠在共聚物溶液中正常生長，說明所制備的P（Sar-co-GH）具有良好的生物相容性。

圖8（b）展示的是NIH/3T3 在水凝膠的浸提液中培養24、48、72 h 后的細胞活性圖。從圖中可以看出，培養24 h 后，NIH/3T3 的存活率接近100%；培養48 h 和72 h 后，細胞存活率略大于100%，說明隨著培養時間的增加，NIH/3T3 能夠正常生長和增殖，這表明P（Sar-co-GH）-OSA-CMC 水凝膠未釋放抑制細胞生長的有害物質，具有優異的細胞相容性。

經過24 h 的培養后，細胞呈現圓形的狀態分散在凝膠中，此時細胞數量比較少（圖8（c））。培養48 h 后，視野中一部分細胞的形態發生了變化，呈現為梭形，而且細胞數量也多于24 h 培養后的細胞數量（圖8（d）），這一現象說明細胞在水凝膠中開始鋪展并繁殖。在整個細胞培養過程中，只觀察到個別紅色熒光點，這表明所制備的P（Sar-co-GH）-OSA-CMC 水凝膠能夠用于包載NIH/3T3，并且有效促進細胞的生長，可用作細胞培養支架材料。

3 結 論

（1）通過開環聚合法成功制備了具有良好水溶性的P（Sar-co-GH），并將海藻酸鈉氧化制得帶有醛基的OSA?；赑（Sar-co-GH）、OSA、CMC 這3 種組分的水凝膠可在溫和的條件下通過簡單混合快速形成。

（2）水凝膠網絡中亞胺鍵和酰腙鍵這兩種動態化學鍵的存在賦予了水凝膠可注射性、pH 響應性和自修復性能，并且通過調節兩種動態化學鍵的比例可得到具有良好力學性能的P（Sar-co-GH）-OSA-CMC 水凝膠。

（3）該水凝膠具有良好的生物相容性和動態交聯網絡，其中包載的NIH/3T3 保持了高活性和增殖能力。