盡管生物組織在本質(zhì)上屬于水凝膠材料，其中往往充滿了體液，但在需要時，生物組織可以提高其自身的機(jī)械強(qiáng)度。例如，血液充血后肌肉變得更強(qiáng)。骨骼肌的收縮可以通過增加血流量來激活其相關(guān)的肌肉。因此，充血能導(dǎo)致肌肉硬度大大增加。這些系統(tǒng)溶脹增強(qiáng)性質(zhì)的核心是組織中存在許多生物膜屏障，它們可以調(diào)節(jié)水分子和離子的跨膜運(yùn)輸。相比之下，人工合成的材料由于網(wǎng)絡(luò)的稀釋而呈現(xiàn)出典型的溶脹-弱化現(xiàn)象，溶脹后機(jī)械強(qiáng)度始終會急劇下降，并極大地限制了其應(yīng)用，例如作為生物膠水或人工組織這類需要一定機(jī)械強(qiáng)度的場合。盡管研究表明，一些經(jīng)過特殊設(shè)計的具有親水-親脂平衡的網(wǎng)絡(luò)可以抵抗溶脹，但目前仍然難以制備能夠增強(qiáng)溶脹后機(jī)械強(qiáng)度的聚合物材料。
上海交通大學(xué)醫(yī)學(xué)院劉盡堯教授等人報道了通過生物啟發(fā)策略實現(xiàn)的聚合物材料的溶脹強(qiáng)化現(xiàn)象。作者將脂質(zhì)體膜納米屏障共價嵌入交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)中，以調(diào)節(jié)跨膜運(yùn)輸。溶脹后，拉伸的網(wǎng)絡(luò)使脂質(zhì)體變形，隨后引發(fā)被包封分子的跨膜擴(kuò)散，這可觸發(fā)由預(yù)載前體形成新網(wǎng)絡(luò)。由于雙網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的堅韌性，該研究成功地實現(xiàn)了聚合物水凝膠的溶脹強(qiáng)化現(xiàn)象。膨脹觸發(fā)的自增強(qiáng)功能可以用來開發(fā)各種動態(tài)材料。該研究以題為“Swelling-strengthening hydrogels by embedding with deformable nanobarriers”的論文發(fā)表在《Nature Communications》上。
【水凝膠的設(shè)計和準(zhǔn)備】
為了構(gòu)建具有天然膜屏障功能的人工系統(tǒng)，作者設(shè)計將脂質(zhì)體嵌入水凝膠材料中，以同時分離觸發(fā)分子并調(diào)節(jié)其跨膜轉(zhuǎn)運(yùn)。該策略如圖1c所示。裝飾有雙鍵的脂質(zhì)體通過水基自由基聚合共價結(jié)合到第一個網(wǎng)絡(luò)中。接下來將第二網(wǎng)絡(luò)的前體預(yù)裝在水凝膠中，并將可點擊的交聯(lián)劑分別預(yù)存儲在脂質(zhì)體內(nèi)。交聯(lián)劑的膨脹會觸發(fā)跨膜傳輸，導(dǎo)致預(yù)加載的前體和分散的交聯(lián)劑之間形成第二個聚合物網(wǎng)絡(luò)。因此，當(dāng)雙網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)形成導(dǎo)致強(qiáng)度增加超過溶脹引起的強(qiáng)度損失時，溶脹后的機(jī)械強(qiáng)度可能會超過初始強(qiáng)度。作為實驗驗證，作者通過將氫化大豆磷脂與膽固醇和二硬脂酰基磷酸乙醇胺-PEG2000-丙烯酰胺共同組裝來制備具有雙鍵修飾的脂質(zhì)體。通過丙烯酰胺和N，N’-亞甲基雙丙烯酰胺的水基自由基共聚，將裝有N3-PEG3-N3的修飾脂質(zhì)體共價連接至第一個網(wǎng)絡(luò)。最后通過將Tetra-PEG-DBCO預(yù)裝在聚丙烯酰胺（PAM）水凝膠中來獲得溶脹強(qiáng)化的水凝膠（SSH）。
【溶脹強(qiáng)化行為】
如圖2a，b所示，SSH的壓縮模量以25％的溶脹率增加了15.6％±4.5。即使溶脹率增加到75％，SSH仍可以保留其初始機(jī)械強(qiáng)度。然而，對照水凝膠觀察到典型的溶脹-弱化現(xiàn)象。相應(yīng)的PAM單網(wǎng)絡(luò)和PAM / PEG雙網(wǎng)絡(luò)水凝膠的溶脹模量在溶脹過程中持續(xù)下降，溶脹率為75％時分別下降32.1％±7.7和39.7％±3.4。
此外，隨著溶脹率增加25％，SSH在90％應(yīng)變下的壓應(yīng)力從1.32MPa增加到1.71MPa（圖2c，d）。如預(yù)期的那樣，兩種對照水凝膠在90％應(yīng)變下的壓縮應(yīng)力大大降低，并且在75％的溶脹率下分別降低了52.8％±7.7和57.7％±3.2。這可以通過SSH中大量交聯(lián)脂質(zhì)體的存在來解釋，這增加了凝膠的機(jī)械強(qiáng)度。然后作者將SSHs皮下植入大鼠背部，以研究其在生理環(huán)境中的溶脹強(qiáng)化行為（圖3a，b），結(jié)果表明SSH在復(fù)雜的體內(nèi)條件下同樣表現(xiàn)出出色的溶脹強(qiáng)化行為。
【雙網(wǎng)絡(luò)的形成】
為了進(jìn)一步確定第二個網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)，作者設(shè)計并合成了可觸發(fā)的PAM網(wǎng)絡(luò)，該網(wǎng)絡(luò)可以全面表征新形成的網(wǎng)絡(luò)（圖4a）。因此，在形成雙網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)后，初始網(wǎng)絡(luò)可被還原劑谷胱甘肽（GSH）溶解。刪除第一個網(wǎng)絡(luò)后，即可獲得新形成的網(wǎng)絡(luò)。
如圖5b所示，二硫化交聯(lián)的PAM網(wǎng)絡(luò)被GSH觸發(fā)溶解。正如預(yù)期的那樣，溶脹的水凝膠經(jīng)過GSH處理后可以保持其初始固體形狀（圖5b-e），從而驗證了第二個網(wǎng)絡(luò)的形成。通過擴(kuò)散完全除去交聯(lián)的PAM，可以得到單一的第二網(wǎng)絡(luò)。機(jī)械測試表明，形成的第二網(wǎng)絡(luò)在600％應(yīng)變下的拉應(yīng)力為28.4kPa，在90％應(yīng)變下的壓應(yīng)力為915kPa（圖5f，g）。這些結(jié)果很好地證實了SSH的機(jī)械性能、微觀形態(tài)和分子結(jié)構(gòu)。
總結(jié)：作者報道了一種借助生物膜屏障啟發(fā)策略實現(xiàn)的溶脹強(qiáng)化水凝膠（SSH），將共價嵌入交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)中的脂質(zhì)體膜納米屏障用于調(diào)節(jié)跨膜運(yùn)輸。
溶脹后，拉伸的網(wǎng)絡(luò)使嵌入的膜納米屏障變形，隨后引發(fā)被包封分子的跨膜擴(kuò)散，這可觸發(fā)由預(yù)載前體形成新網(wǎng)絡(luò)并形成雙網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。
由于雙網(wǎng)絡(luò)水凝膠的堅韌特性，SSH無需外部刺激和其他添加劑的幫助即可顯示出其膨脹強(qiáng)化行為。膨脹觸發(fā)的自增強(qiáng)功能可以制備各種動態(tài)材料，這可能會大大擴(kuò)展其在生理環(huán)境中的應(yīng)用。
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