江绍毅《Science》子刊：体内植入水凝胶重大突破——高强度和抗纤维囊形成的两性离子弹性体！

材料化学快讯 2022-05-28

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生物医学应用的合成水凝胶（如组织支架）有两个主要标准：优异的机械性能和对异物反应引起的纤维囊形成的长期抵抗力。然而，这些性能往往是矛盾的，因为前者需要疏水性而后者需要亲水性。尽管通常使用体外蛋白质吸附，细胞粘附和细胞毒性来评估生物材料，但它们远未涉及复杂生物系统中涉及纤维囊抗性的挑战。尽管许多水凝胶显示出较低的蛋白质吸附和细胞粘附性，但它们与长期的纤维囊抵抗力仍然相去甚远。

近日，美国华盛顿大学江绍毅教授团队通过“溶胀”和“锁定”机制将两种弱性两性离子水凝胶整合到类似弹性体的高强度纯两性离子水凝胶中，从而报告了独特的材料类别。这些两性离子-弹性体-网络化（ZEN）水凝胶进一步显示，在植入小鼠体内长达1年后能有效抵抗纤维囊的形成。具有高机械性能和长期纤维囊抗性的这种材料以前从未获得过。相关工作以“High-strength and fibrous capsule–resistant zwitterionic elastomers”为题发表在《Science Advances》上。

【具有高机械性能的pCB / pSB ZEN水凝胶】

研究人员介绍了两性离子弹性网络（ZEN）水凝胶，该水凝胶通过整合两种弱性两性离子水凝胶：聚（羧基甜菜碱）pCB和聚（磺基甜菜碱）（pSB）实现。在此pCB / pSB ZEN水凝胶中，pCB是次要成分，形成紧密交联的网络以产生弹性，而pSB是主要成分，形成疏松交联的网络以提供粘度。值得注意的是，所述pCB网络具有高溶胀性，可以整合有相当量的pSB网络，而网络pSB “锁定”经由强间和分子内的静电相互作用。结合了出色的可溶胀性和“锁定”效果的新机制，研究人员仅用纯两性离子成分就能获得具有高机械强度的ZEN水凝胶。pCB / pSB ZEN水凝胶被证明可以抵抗皮下植入小鼠长达一年的纤维囊形成。。

具有高机械性能的pCB / pSB ZEN水凝胶

【ZEN水凝胶的力学性能及设计原理】

pCB / pSB ZEN水凝胶能够平稳地压缩至99％的应变，断裂应力为22.3 MPa，并在释放后保持其原始形状。类似地，PCB / PSB ZEN水凝胶表现出169.9％的大拉伸应变的，断裂应力接近应变1兆帕，其比得上生物组织例如血管。pCB / pSB ZEN水凝胶的拉伸曲线表现为弹性体，没有明显的应力屈服。

为了阐明ZEN水凝胶的通用设计原理，研究人员研究了两个两性离子网络：pCB和pSB之间的结构-性质关系。对由三种不同的pCB网络和七个pSB网络组成的一系列水凝胶进行了正交压缩测试，每种网络的单体浓度和交联剂比率均不同。表明当pSB是主要成分网络时，锁定作用在pCB / pSB水凝胶系统中是普遍的。

一系列pCB / pSB水凝胶的机械和溶胀性能

上面的第一批结构特性实验表明，pCB / pSB ZEN水凝胶的高强度源自两个网络的最佳弹性/粘度比，这是通过以下两个关键概念实现的： pCB的高膨胀性和pSB产生的锁定效果。为了证明这两个关键概念的重要性，研究人员接下来比较了两个两性离子网络的其他次要/主要成分组合：pCB / pCB，pSB / pCB和pSB / pSB。证实了ZEN水凝胶的基本设计原则：具有具有高溶胀性的次要组分网络和具有锁定作用的主要组分网络对于实现具有最佳弹性/粘度比的ZEN水凝胶至关重要。

ZEN水凝胶的基本设计原理

【ZEN水凝胶小鼠皮下长期植入】

pCB / pSB ZEN水凝胶展现出高强度强度，耐用性和防污性能的独特组合。研究人员最后探索了其在植入时的长期体内纤维囊抗性。将pCB / pSB ZEN和pHEMA水凝胶样品皮下植入具有免疫能力的C57BL / 6小鼠的背部长达1年。在不同的时间间隔（1、4、12周和1年）从小鼠收集与水凝胶样品接触的皮肤组织，以评估潜在的纤维囊形成。植入后一周，在与pHEMA水凝胶直接接触的组织界面处观察到嗜碱性变色和明显的细胞蓄积，表明是急性炎症反应。炎症已知触发招募胶原分泌的成纤维细胞，以包封物和分离异物。到pHEMA水凝胶植入的第四周，已经形成了致密而成熟的胶原蛋白囊，该囊在1年后进一步增厚。

相反，在1周后，在组织与植入的pCB / pSB ZEN水凝胶之间的界面上几乎没有观察到细胞，表明它们几乎没有引起急性炎症或没有引起急性炎症。在本研究的整个过程中，与pCB / pSB ZEN水凝胶相邻的皮肤组织均未显示炎症迹象，也未显示任何致密的纤维囊形成，而是与阴性对照皮肤组织相似的松散的皮下结构。此外，pCB / pSB ZEN水凝胶样品在植入整整一年后仍保持其形状并高度耐用，并且没有明显的降解和机械性能损失。这表明ZEN水凝胶材料能够在体内维持长期的纤维囊抗性和耐久性。

pCB / pSB ZEN水凝胶在小鼠皮下植入长达1年后表现出长期的纤维囊抗性和耐久性

总结:研究人员报告一种“ZEN”水凝胶，该凝胶表现出机械强度和长期的纤维囊抗性的独特组合。ZEN水凝胶的关键特征是其由两个不同的纯两性离子网络组成-具有高溶胀性的紧密交联的次要组分网络和表现出关键锁定作用的松散交联的主要组分网络。pCB / pSB ZEN水凝胶在大范围变形下表现出出色的弹性，减轻了纤维囊的形成，并且在皮下植入长达1年的小鼠时保持稳定而不会降解或机械强度降低。ZEN水凝胶的耐用性和对纤维囊的抵抗力，为实现可植入材料的长期目标提供了一条新途径，例如软骨置换，组织修复。

全文链接：

https://advances.sciencemag.org/content/7/1/eabc5442

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