华东理工刘润辉教授课题组《Nat. Commun.》：一步法普适性水凝胶功能化新策略

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水凝胶广泛应用于生物材料和生物医药等领域，许多水凝胶在使用的时候需要引入特定的分子实现功能化，例如给抗黏附性质的水凝胶赋予支持细胞黏附功能，从而实现组织工程的应用。此前，水凝胶的功能化方法是在水凝胶成胶前或制备过程时引入功能分子，这些方法通常步骤繁琐、需要既定的反应基团，且对于不同类型的水凝胶无法实现普适性修饰（图1a）。如何通过一步简单的方法，不受官能团的限制，将功能分子直接修饰在各种类型的水凝胶上是这一领域的关键科学问题，这一问题的解答将发挥水凝胶更多的应用前景，在多个领域具有重要意义。

近日，刘润辉教授课题组报道了受沙堡蠕虫黏附蛋白启发，设计合成一种三肽黏附分子，可以对没有任何反应基团的各类水凝胶进行普适性修饰。该研究成果以“A sandcastle worm-inspired strategy to functionalize wet hydrogels”为题发表在Nature Communications上（Nat. Commun. 2021, 12, 6331）。

Pc-1是沙堡蠕虫分泌的关键黏附蛋白，这一蛋白结构中的多巴（Y）和赖氨酸（K）是发挥湿黏附的主要组分，其比例接近1：1，这启发作者设计合成了结构简单、含有三肽的黏附分子丁二胺-多巴-赖氨酸-多巴（DbaYKY），其氨基和邻苯二酚的比例为1:1（图1b）。该黏附分子可以通过简单的结构变化进而引发多种类型的聚合反应，从而将黏附分子接枝在各类聚合物的末端。将水凝胶（包括没有任何反应基团的各类水凝胶）简单浸没在含有DbaYKY的化合物或聚合物的溶液中，即可实现水凝胶的功能化，例如水凝胶抗菌、支持细胞黏附和促进伤口修复的功能（图1c）。

图1. 水凝胶修饰的传统策略和沙堡蠕虫启发的新策略

在实验室中通过4步简单的合成可以较容易地获得克级以上的末端氨基的DbaYKY黏附分子引发剂，展示了这一策略可以实现聚合物的大量合成（图2）。此外，本文也介绍了该黏附分子的固相合成方法，为方便更多的实验室和公司来扩展它的应用。末端氨基的DbaYKY黏附分子可以直接用作NCA开环聚合的引发剂，也可以进一步通过一步合成分别获得ATRP引发剂、RAFT引发剂和β-内酰胺开环聚合引发剂等，进而进行各类引发聚合反应。本文用这些引发剂合成了不同类型的8种聚合物（Pol-1至Pol-8，图2），这些聚合物分别具有不同的功能，且都保留了黏附分子DbaYKY，展示了DbaYKY黏附分子理论上可以和任何化合物或聚合物相连。

图2. 黏附分子DbaYKY端基引发各类聚合反应

作者将黏附分子DbaYKY修饰在AFM探针上，单分子力谱测试结果表明DbaYKY与水凝胶的相互作用力中位数为223 pN（图3）。为了研究DbaYKY中氨基和邻苯二酚的重要性，作者合成了不带氨基的YY，减少1个氨基的YKY，减少1个多巴的KYK，以及打乱氨基酸排序的KKYY。结果显示YY的黏附力仅为82 pN，YKY为164 pN，说明氨基对黏附力起到重要的协同作用；KYK的黏附力为172 pN，弱于DbaYKY，展示了至少2个多巴的必要性；KKYY的黏附力为203 pN，与DbaYKY没有统计学差异，说明氨基酸排序对黏附力无显著影响。

图3. 黏附分子DbaYKY, YY, YKY, KYK, and KKYY与PEG水凝胶的黏附力测试

作者展示了将没有任何反应基团的PEG水凝胶通过简单浸没在含有DbaYKY的聚合物（Pol-1，Pol-3和Pol-7）溶液中，从而实现PEG水凝胶的修饰。对修饰前后的水凝胶进行XPS和ATR-FTIR表征，以及Kaiser检测，验证了功能分子已经黏附在水凝胶表面。作者还尝试用相同的修饰方法，将Pol-1，Pol-3和Pol-7分别换成对应的不带黏附基团的Pol-9，Pol-10和Pol-11，发现没有黏附基团的聚合物无法实现水凝胶修饰，因此聚合物与水凝胶的物理缠结是忽略不计的，这侧面印证了水凝胶的功能化是黏附分子起主导作用。

图4. 一步法普适水凝胶功能化策略及表征

作者从多个角度展示了一步法普适水凝胶功能化新策略的应用。将具有抗菌功能的Pol-1和Pol-3修饰到PEG和PVA水凝胶上，可以赋予水凝胶高效的抗菌性能（图5）；将具有支持细胞黏附功能的聚合物Pol-7修饰到PEG、PHEMA、PSBMA、PVA和ALG水凝胶上，可以使本身抗黏附的水凝胶转变为较好支持细胞黏附和铺展的水凝胶（图6）；将Pol-7修饰到PVA水凝胶上，修饰后的水凝胶在大鼠动物实验模型中展示优异的促进伤口修复功能（图7）。

图5. 一步法普适水凝胶功能化策略赋予水凝胶抗菌功能

图6. 一步法普适水凝胶功能化策略赋予水凝胶支持细胞黏附功能

图7. 一步法普适水凝胶功能化策略赋予水凝胶促进伤口修复功能

作者定量该功能化水凝胶策略的修饰量和修饰效率，并验证了该策略具有修饰的可控性和良好的稳定性。此外，作者发现通过修饰冻干后的水凝胶，可以实现水凝胶表面和内部的整体功能化。这一简单、普适的水凝胶功能方法为功能性水凝胶材料的制备提供新的策略，在材料学和生物医学等多个领域具有广阔应用的前景。

华东理工大学张东辉博士和硕士毕业生刘晶晶是该论文的第一作者，华东理工大学刘润辉教授是通讯作者。该研究得到了国家自然科学基金委、科技部等基金的资助。

论文链接：

https://www.nature.com/articles/s41467-021-26659-0

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