水凝胶由三维交联的聚合物网络和大量的水(50% - 90%)构成，已被广泛用作生物医学材料。然而大多数水凝胶的强度和韧性都差强人意，使得一些应用受限。为了提高水凝胶的力学性能，研究人员开发了各种方法，如双网络(DN)水凝胶、纳米复合水凝胶等等。其中双网络水凝胶由具有脆性的一层网络和韧性的二层网络所组成，通过较强的聚合物网络纠缠和有效的能量耗散，有效地提高水凝胶机械韧性和强度。目前已经有多种方法用于制备双网络水凝胶，其中一锅法因其较高的效率和可控性脱颖而出。近日，四川大学高分子科学与工程学院的徐心源和李建树教授在Biomacromolecules上发表题为：Fabrication of Double-Network Hydrogels with Universal Adhesion and Superior Extensibility and Cytocompatibility by One-Pot Method的文章。作者通过一锅法制备了琼脂/PAM/PVPA双网络水凝胶，其具有一定粘附性、优异的力学性能和良好的细胞相容性，有望应用于支架、软骨修复材料等。早在2013年科学家就基于琼脂和聚丙烯酰胺 (PAM)通过一锅法制备了具有优异的力学性能的双网络水凝胶。然而由于PAM的强抗污性，这种PMA的双网络水凝胶的生物相容性较低。为了开发它的生物医学应用，改善细胞粘附性很重要，其中添加功能性单体（如具有氨基、磷酸根和氟）是一种简单有效的方法。乙烯基膦酸（VPA）是一种水溶性、无毒且酸性的单体，双键可以参与AM的自由基聚合，膦酸可以促进细胞黏附和增殖。本文中，作者通过简单的加热、冷却和光固化过程（如图1），实现了含有琼脂、丙烯酰胺和VPA的混合溶液的凝胶化，得到双网络水凝胶。该凝胶具有高强度和韧性，以及较好的细胞粘附性。
图1. 通过一锅法制备具有强韧性和细胞相容性的琼脂/ PAM / PVPA水凝胶作者制备的水凝胶是无色透明的，通过打结和拉伸测试证明了它具有较强的韧性。从微观角度看，该水凝胶具有高度多孔的微观结构，且孔道相互连接，形成“开孔”结构，使其能够快速溶胀和除水。值得注意的是，随着VPA含量的增加，孔径逐渐从约20μm扩大到60–100μm，这可能是由于VPA的聚合效率低于AM，且VPA的加入降低了溶液的pH值，影响琼脂的胶凝过程。此外，这个琼脂/ PAM / PVPA水凝胶表现出通用的粘附性能，它可以粘附在玻璃、聚四氟乙烯（PTFE）、聚乙烯（PE）、钢、橡胶和木材等各种表面上（如图2），且有一定的承重性。此外，基于琼脂的热可逆相变，可通过注射过程以不同的形状凝胶化，从而用于3D打印。
图2. 琼脂/ PAM / PVPA水凝胶对不同底物表面的通用粘附力随后，作者探究了琼脂/ PAM / PVPA水凝胶的溶胀率，发现溶胀率随VPA浓度的增加而增加，并可以达到琼脂/ PAM水凝胶的两倍。琼脂/ PAM / PVPA水凝胶吸水能力的提高可归因于更大的孔径，这为水凝胶吸水提供了更多的空间。作者也进行了一系列拉伸和压缩试验，以定量研究水凝胶的机械性能与VPA浓度的关系。如图3，随VPA含量从1%变化到5%，琼脂/PAM/PVPA水凝胶的韧性和断裂伸长率先增大后减小。水凝胶的韧性和断裂伸长率达到1.66 MJ/m 3和3418.9%，比琼脂/ PAM水凝胶高26.7%和13.0%。此外，即使压缩应变高达99.99％，也未检测到水凝胶破裂。琼脂/ PAM / PVPA水凝胶的压缩模量随VPA组分增加而呈下降的趋势，这与拉伸模量的变化趋势一致。当VPA占双键总数的2％时，机械性能的平衡达到最佳。
图3.（A）拉伸应变-应力曲线和（B）各种水凝胶的拉伸模量和强度。最后作者研究了MC3T3-E1细胞在水凝胶表面的行为，以评估水凝胶的细胞相容性。结果显示，引入膦酸能够增强水凝胶的溶胀特性，进而得到的相对较高电离度的水凝胶进了带正电的蛋白质的吸附，最终引起MC3T3-E1细胞更好的粘附和增殖。总之，添加VPA可以促进细胞在水凝胶上的粘附和增殖。综上所述，作者通过将含膦酸的单体（VPA）引入双网络水凝胶中，用一锅法制备了具有良好细胞黏附和增殖能力的高强度双网络水凝胶-琼脂/ PAM / PVPA水凝胶，有望被用作3D打印和可注射材料。
原文链接：
https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.biomac.0c00822
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