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摘要

最近，西安交通大學徐峰教授、孫曉龍教授團隊報告了一種“智能”水凝膠系統，該系統可以通過動態共價自適應網絡重構為多種架構。水凝膠結構的拓撲變化通過胺-硫醇加擾、硫醇-硫醇交換、解偶聯反應和二硫化物形成重新形成共價化學鍵，從而產生動態可調的特性。水凝膠的剛度可以通過動態共價鍵進行調節，如流變學測量所示，一些水凝膠顯示出自修復和剪切稀化特性。

值得注意的是，顯著的結構轉變是在室溫下中性水性條件下實現的。這些“智能”水凝膠顯示出良好的生物相容性，可以在二維細胞培養中誘導細胞生長，并在三維細胞培養中有效地作為包裹和釋放人類間充質干細胞的支架。因此，開發的“智能”水凝膠系統在組織工程和細胞治療等生物醫學應用中具有巨大潛力。相關論文以題為Chemically Triggered Hydrogel Transformations through Covalent Adaptable Networks and Applications in Cell Culture發表在《ACS Macro Letters》上。

示意圖 1. Click-Declick 化學實現的拓撲變化示意圖：(A) 通過胺-硫醇和硫醇-硫醇加擾的共軛受體的點擊反應和通過在水性條件下添加 DTT 的新形成的胺-硫醇共軛受體的點擊反應，(B) 通過 CuAAC 點擊反應形成 H-1 疊氮化物終止的四臂聚（乙二醇）（PEG）和炔終止的共軛受體 1 之間，以及（C）H-1 和代表性化學結構矩陣內多種締合成分交換過程的示意圖

示意圖 2. 基于胺-硫醇/硫醇-硫醇加擾、解偶聯反應和硫醇-二硫化物氧化的各種水凝膠的共價適應性網絡示意圖：(A) PEG 二胺誘導的 H-內化學鍵斷開和重新連接 1 基質通過胺-硫醇和硫醇-硫醇交換生成 H-2，(B) PEG 二硫醇誘導的 H-1 基質內的化學鍵斷開和重新連接通過硫醇-硫醇交換獲得 H-3，以及 (C) DTT 誘導的化學鍵斷開和過氧化氫誘導的重新連接以生成 H-4

圖 1. 水凝膠及其轉化的流變學研究和表征。

圖 2. 使用 H-2 和 H-3 的二維細胞培養。(A) 共聚焦顯微鏡圖像顯示在 H-2 和 H-3 和共聚焦盤表面上培養的 SH-SY5Y 的形態。(B) 使用 ImageJ 軟件計算的 SH-SY5Y 細胞的擴散面積和圓形度，顯示細胞在不同凝膠表面上的不同擴散。

圖 3. 細胞封裝、分布和生長。(A) 示意圖描繪了 H-2 內細胞的誘捕。(B) 共聚焦顯微鏡在 H-2 內封裝后 48 小時封裝的人類間充質干細胞的最大投影。(C) H-2 降解后，將 hMSCs 培養 5 天和 7 天。

總結

該團隊提出了一種通過共價適應性網絡建立水凝膠轉化的新方法。基于CuAAC點擊反應合成的水凝膠，新水凝膠的拓撲結構可以通過胺-硫醇加擾、硫醇-硫醇交換、二硫鍵和中性水性條件下的解偶聯反應來改變。表征和分析了網絡的機械和微觀結構特性以及生物相容性。通過共價適應性網絡的重排，該系統可以形成具有不同剛度、自愈能力和良好生物相容性的拓撲水凝膠。總之，水凝膠系統在組織工程和細胞治療等生物醫學應用中顯示出巨大的潛力。