可注射又可3D打印！葡萄糖敏感型水凝胶登 Carbohydr. Polym

来源：EngineeringForLife

壳聚糖基水凝胶引起了人们对生物制造的兴趣。然而，它们较差的水溶性和脆性导致机械稳定性较弱，限制了它们在3D打印中的应用。

近期，台湾大学Shan-hui Hsu团队合成了取代度~25%的羧基苯基硼酸接枝壳聚糖（CB）聚合物。受简便可控的硫醇-烯点击化学的启发，进一步开发了一种使用自组装CB簇作为交联剂以证明3D打印性增强的 PEG-壳聚糖硼酸（PB）水凝胶。CB交联水凝胶凭借其葡萄糖响应性、生物相容性、可调性能和3D可打印性，可作为葡萄糖传感的可加工材料或易于移除的牺牲层制造材料。

相关研究成果以“Self-assembled chitosan‑boronic acid hydrogel as dynamic crosslinker to produce 3D-printable glucose-sensitive hydrogel”为题于2025年5月13日发表在《Carbohydrate Polymers》上。

1. CB聚合物的合成与表征
首先，研究者通过EDC/NHS化学方法，将4-羧基苯硼酸（CPBA）接枝到壳聚糖上，成功合成了具有约25%取代度的壳聚糖-硼酸（CB）聚合物。核磁共振（1H NMR）谱图、紫外-可见光谱（UV-vis）和傅里叶变换红外光谱（FTIR）有力地证明了CPBA通过羧酸与壳聚糖胺基的缩合反应成功接枝到壳聚糖上，形成了CB聚合物，同时显著提升了壳聚糖的水溶性，为后续的水凝胶制备和应用奠定了基础（图1）。

图1 CB聚合物的合成与表征

2. 不同固含量CB水凝胶的流变性能
随后，研究者通过动态频率扫描实验分析了不同固含量的CB水凝胶的流变性质。结果表明，低固含量（0.2%、0.5%、1%）的CB水凝胶表现出较弱的凝胶特性，其储能模量（G'）和损耗模量（G''）在低频时较小，且G'随频率增加迅速上升，表明其结构较弱（图2）。而高固含量（2%、3%、4%）的CB水凝胶则表现出相对稳定的G'和G''，表明其具有更强的弹性行为和更稳定的凝胶结构。此外，高固含量的CB水凝胶在应变-模量测试中表现出自愈行为，其中3%的CB水凝胶在应变诱导的损伤和愈合循环中表现出可逆的凝胶-溶胶-凝胶转变（图3）。这些结果表明，CB水凝胶的流变性质随固含量的增加而显著增强，为其在3D打印和生物医学应用中的潜在应用提供了重要信息。

图2 不同浓度下CB水凝胶的流变性能

图3 高含量组CB水凝胶的应变依赖流变性能

3. 通过相干SAXS分析CB水凝胶的微结构
之后，研究者利用相干小角X射线散射（SAXS）技术分析了不同固含量CB水凝胶的微观结构。结果表明，低固含量（1 wt%）的CB水凝胶表现出较为均匀的分散链结构，其散射曲线呈现单调下降趋势（图4A）。随着CB固含量的增加（2 wt%和3 wt%），散射强度显著增强，并在SAXS曲线中出现肩峰，这表明CB聚合物逐渐聚集形成特定尺寸的聚集物（约7 nm）。此外，在应变作用下，3 wt% CB水凝胶的微观结构更容易被破坏，其SAXS曲线变得更为陡峭，肩峰变得不明显（图4B-D）。图4E展示了CB水凝胶内部聚集物形态随固含量增加的变化趋势。这些结果揭示了CB水凝胶在不同固含量下的微观结构特征及其在应变下的结构变化。

图4 不同浓度下CB水凝胶的相干SAXS谱图

4. CB作为新型交联剂制备具有独特流变和力学性能的葡萄糖敏感聚乙二醇-壳聚糖硼酸酯(PB)水凝胶

随后，研究者以CB（壳聚糖-硼酸）为新型交联剂，用于制备具有独特流变和机械性能的葡萄糖敏感型聚乙二醇-壳聚糖硼酸酯（PB）水凝胶。通过将CB与聚乙二醇（PD）反应形成硼酸酯键，构建了动态化学网络（图5）。含硼酸酯的 PEG-壳聚糖动态网络水凝胶（简称 PB 水凝胶）具有抗蠕变、延展性（高度拉伸）、自修复和葡萄糖敏感的特性。

图5 自组装CB水凝胶和CB作为新型交联剂形成葡萄糖敏感动态水凝胶（PB）的示意图

研究发现，随着CB浓度的增加，PB水凝胶的储能模量（G'）显著提高，表明其机械强度增强（图6）。PB2.5水凝胶需要更高的应变才能转变为溶胶状态，表明其内部网络结构更加坚韧.此外，它还具有自修复行为。

图6 PEG-CB交联水凝胶PB2.5的流变学性质

5. 通过相干小角X射线散射分析PB水凝胶的微观结构
然后，研究者利用相干小角X射线散射（SAXS）技术分析了不同CB交联剂浓度的PB水凝胶的微观结构。结果表明，随着CB浓度的增加，PB水凝胶的散射曲线斜率变得更陡峭，表明网络交联密度增加（图7A）。图7B展示了PB水凝胶内部网络架构随CB浓度增加的演变示意图，显示了聚合物网格在交联点增加时被拉伸成更三维的结构。这些结果表明，CB交联剂浓度的增加不仅增强了PB水凝胶的网络结构，还促进了更大聚集物的形成，从而提高了水凝胶的机械强度和稳定性。

图7 不同浓度的CB交联剂下，PEG-CB交联水凝胶（PB）在 25°C时的相干SAXS谱图

6. PB水凝胶的牺牲性能和葡萄糖敏感性
然后，研究者评估了PB水凝胶的可牺牲性能和葡萄糖敏感性。ARS染料与CB的硼酸基团结合后，在葡萄糖存在下会发生颜色变化，随着葡萄糖浓度增加，颜色从淡黄色逐渐变为橙色或粉色（图8A）。通过UV-vis光谱分析，建立标准曲线，证实了PB2.5水凝胶对葡萄糖的敏感性（图8B）。这些结果表明，PB水凝胶具有良好的葡萄糖响应性，可作为葡萄糖检测的潜在材料。

图8 PB2.5水凝胶的葡萄糖敏感性

7. PB2.5水凝胶的注射性和3D可打印性
最后，研究者评估了PB2.5水凝胶的可注射性和3D打印性能。实验表明，PB2.5水凝胶能够通过27G（内径约210 μm）的注射针头顺利挤出，而对照组水凝胶（由小分子硼砂交联）在挤出后膨胀且表面不连续，1分钟内失去形状并合并（图9A）。此外，PB2.5水凝胶成功用于3D打印，打印出的网格状平方图案的微通道宽度约为360 μm，膨胀比约为170%（图9C）。PB2.5水凝胶展现出良好的堆叠能力，打印后能保持超过95%的原始设计高度（1.2 cm）（图9D）。这些结果证明了PB2.5水凝胶具有优异的可注射性和3D打印性能，适用于生物制造应用。

图9 PB2.5交联水凝胶的可注射性和三维印刷性

综上，本文通过将CPBA接枝到壳聚糖上合成了取代度为~25%的聚合物。CB聚合物可以通过氢键、π–π堆积和阳离子–π相互作用等协同作用进行自组装。SAXS谱图表明，CB自组装水凝胶的完整性可能源于由超分子力驱动的簇形成（~7 nm）。除了自组装之外，将线性PD聚合物掺入CB水凝胶中可以提高结构脆性，同时通过交联增强延展性。PB水凝胶的动态、剪切稀化、自修复和弹性特性促进了连续细丝沉积和3D打印过程中的结构完整性。SAXS分析进一步揭示了PB动态基质内物理簇（~9.4–17 nm）的形成，显著增强了3D堆叠性而无需后处理加固。PB水凝胶凭借其延展性、韧性和固有的3D堆叠性，成为了一种独特的葡萄糖敏感性和3D可打印材料，适用于生物医学应用。

参考资料：https://doi.org/10.1016/j.carbpol.2025.123737