三共轭光/温度/pH敏感壳聚糖与生物工程应用的智能响应

供稿人：张晨蕊 王玲 供稿单位：西安交通大学机械制造系统工程国家重点实验室　


杂交交联体系可以通过热和可见光形成，提高水凝胶在生理条件下的稳定性。然而，它们的实际应用仍然存在一些挑战，如在培养基条件下的收缩或小肠中的中性pH。本文设计并制备了一种具有外部条件响应的多敏水凝胶，作为生物工程中3D打印的生物聚合物油墨配方具有十分重要的意义。此外，NS-HBC-MA水凝胶具有良好的生物相容性和生物降解性。本研究表明，NS-HBC-MA水凝胶在各种应用中具有巨大的潜力，包括伤口愈合、输送系统和组织工程。本研究的重点是NS-HBC-MA水凝胶的制备和表征，以及所制备的水凝胶对光、温度和pH刺激的响应行为。评价了水凝胶的流变学性质、溶胀、降解和生物相容性。

图1(a)为NS-HBC-MA的制备过程，图中CHI中的羟基丁基取代物显示为红色。甲基丙烯酸化和琥珀酰化分别用蓝色和绿色表示。将NS-HBC-MA 5 %（w/v）溶解于去离子水中，与0.5 %（w/v）LAP光引发剂和0.1 %（w/v）黄色颜料混合，然后将pH调整至7.4。使用3D打印的方式打印出待使用与测试的水凝胶样品。图1(b)(c)分别为其成分光谱，对样品的成分进行确认。

图1 NS-HBC-MA样品制备过程及成分测定

图2分别为水凝胶样品在中性pH下，温度变化的情况下表现出的凝胶转化特性，其中图2(g)为温度诱导的NS-HBC-MA溶液的溶胶-凝胶转变示意图。在低温条件下，羟基丁基的疏水性可归因于其高分散性。在凝胶化温度以上，HBC-MA之间的疏水相互作用增加，导致聚合物溶液的聚集和凝固。NS-HBC-MA中琥珀酰基的存在减少了疏水相互作用，需要高温才能形成水凝胶。这表明琥珀酰化的程度影响了聚合物溶液的凝胶化性质，且由图可以看出，溶液的凝胶化温度随溶液浓度的增加而下降，这些结果表明，NS-HBC-MA在生理温度下可以形成水凝胶，而琥珀酰化的程度和浓度对其凝胶化温度有很强的影响，度交联在功能上被证实是NS-HBC-MA的一种行为。

图2 NS-HBC-MA水凝胶随温度变化的行为

图3为在光引发剂存在下，光诱导的NS-HBC-MA溶液的溶胶-凝胶转变示意图。从图中可以看出，随着光照时间的增加，一些生物聚合物开始形成聚集，并逐渐从液体转变为固态，随添加生物聚合物浓度的变化，凝胶化时间也在发生变化。光流变学结果证实了NS-HBC-MA的光敏行为，为3D打印提供了最佳的曝光时间。

图3 NS-HBC-MA水凝胶随曝光变化的行为

图4为pH影响下，NS-HBC-MA水凝胶的变化行为，图4(d)为杂化交联NS-HBC-MA水凝胶中pH依赖的溶胀行为示意图。所有水凝胶样品的溶胀率均随pH值的变化而变化。杂化交联水凝胶在第一天的膨胀率迅速增加，然后在整个试验期间保持不变。在pH为37◦C的3.0缓冲溶液中，HBC-MA水凝胶在两种不同程度的琥珀酰化作用下的溶胀比大于NS-HBC-MA。HBC-MA的膨胀比随pH值的增加而降低，在pH值为7.4时出现收缩行为。在pH值为7.4的24小时后，混合交联的HBC-MA水凝胶收缩了约42%。这种行为可以归因于初级氨基（−氨+）在低pH值下的质子化，以及由于它们之间的静电排斥而导致的水凝胶网络的膨胀。在中性pH条件下，大部分初级氨基（-nh2）被去质子化。由于不带电的氨基之间没有静电相互作用，导致了快速收缩，由于聚合物链中存在琥珀基，大部分羧基（-COOH）在酸性溶液中统一化，降低了水凝胶的膨胀能力。

这一过程可以应用于水凝胶作为载体，实现药物特异性的释放。

图4 NS-HBC-MA水凝胶随pH变化的行为

图5为3D打印的方式对复合交联水凝胶进行打印，并进行了细胞学实验，打印出的样品依照模型具有清楚的边界，具有较好的完整性与很高的分辨率，且细胞学实验证明交联水凝胶具有很好的生物相容性。

图5 3D打印NS-HBC-MA水凝胶及细胞相容性实验

本文从NS-HBC-MA中制备了一种新型的光/温度/pH敏感水凝胶体系，流变学试验验证了所制备的水凝胶的温度和光敏行为；3D打印的混合交联水凝胶具有高多孔性，其微孔结构随pH的变化而变化。杂化交联水凝胶表现出pH响应性溶胀。其膨胀反应随pH值、温度和琥珀酰化程度的不同而变化。杂交交联的NS-HBC-MA水凝胶在含溶菌酶的缓冲液中被降解。取代程度影响凝胶温度、组织、膨胀率和水凝胶的降解。此外，NS-HBC-MA具有良好的生物相容性，并促进细胞生长。使用NS-HBC-MA的3D打印对象显示了良好的完整性和分辨率，证明了该配方对3D生物打印的适用性。因此，三联体偶联壳聚糖及其水凝胶可应用于伤口愈合、药物传递和组织工程等方面。

参考文献：
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.