中大新聞網(wǎng)訊（通訊員陳永明）動態(tài)交聯(lián)水凝膠在結構上與人體組織類似，具有良好的自愈合性能和粘彈性，作為一種仿生材料，在醫(yī)學領域具有極其誘人的應用前景。中山大學材料科學與工程學院陳永明教授與合作者在國際上最早提出了用酰腙動態(tài)共價鍵構建自修復性能優(yōu)異的聚合物交聯(lián)網(wǎng)絡凝膠（Macromolecules 2010, 43, 1191-1194），該動態(tài)共價鍵體系已經成為國際自修復領域的代表之一。近年來，該團隊發(fā)展了一系列的動態(tài)共價鍵和物理作用雙交聯(lián)水凝膠，并拓展到醫(yī)學領域應用。
一般來說具有粘彈性的水凝膠不能被重塑，撤去外力后迅速恢復到原來形狀。研究團隊證明了具有不同松弛尺度的雙重可逆交聯(lián)網(wǎng)絡可用于開發(fā)一種可重塑的水凝膠材料。在低溫（<10℃）下，表面富含伯胺的氧化硅納米點（約2 nm）和醛基修飾的F127可通過席夫堿鍵形成化學交聯(lián)水凝膠，該作用強，表現(xiàn)出慢松弛性能；提高溫度（>15℃）可使F127疏水段形成物理交聯(lián)，該作用弱，表現(xiàn)為快松弛。這種結構特性賦予該水凝膠的高拉伸性和自愈合性。有趣的是，這種透明水凝膠在撤出指壓時，可在一段時間內保持指紋精細的三維紋路，這可以用于采集指紋的數(shù)字信息。該工作以題為“?Fingerprintable Hydrogel from Dual Reversible Cross-Linking Networks with Different Relaxation Times”發(fā)表在 ACS Applied Materials & Interfaces（?2019, 11, 17925），論文鏈接：https://doi.org/10.1021/acsami.9b06754。
圖1 （A）溫度敏感的動態(tài)化學與物理雙網(wǎng)絡凝膠結構示意；（B）25℃時水凝膠的儲能模量和損耗模量；（C）溫度變化對水凝膠儲能模量和損耗模量的影響；（D）指紋三維紋路可滯留在水凝膠表面。
團隊利用了動態(tài)共價交聯(lián)和自組裝物理交聯(lián)的優(yōu)點構建了智能雙網(wǎng)絡水凝膠，應用于燒傷護理敷料方面?；邗ｋ滦揎椀耐该髻|酸和端基苯甲醛修飾的Pluronic F127之間形成動態(tài)酰腙鍵，而F127可在溫和溫度（>25°C）形成疏水物理交聯(lián)。物理交聯(lián)可為水凝膠貢獻剪切變薄、溫敏性和能量耗散的性質，動態(tài)化學和物理雙交聯(lián)可提供優(yōu)異的粘彈性和自愈合（圖2）。深度局部燒傷治療結果表明，該水凝膠具有良好的滲出物吸收和良好的細胞相容性，可促進大鼠皮膚燒傷創(chuàng)面愈合。值得注意的是，此水凝膠通過游離的醛基可與組織上的氨基化學結合表現(xiàn)出組織粘合性，可望解決常規(guī)水凝膠敷料易從生理組織脫落的難題。該材料有望作為一種新型多功能水凝膠基燒傷皮膚敷料。該工作以題為“A Hydrogel Crosslinked with Dynamic Covalent Bonding and Micellization for Promoting Burn Wound Healing”發(fā)表在 ACS Applied Materials & Interfaces（?2018, 10, 25194），論文鏈接：https://doi.org/10.1021/acsami.8b08165。
圖2 動態(tài)交聯(lián)水凝膠的物化性能表征。(A-C) 流變學測試結果；(D) 自愈合性能的宏觀評價過程。
通過對優(yōu)良生物相容性的透明質酸和PF127進行化學修飾，團隊通過動態(tài)肟鍵和疏水作用協(xié)同構建了新的動態(tài)雙交聯(lián)水凝膠。該材料具有溫度敏感性，在生理溫度下機械性能得以進一步增強。該水凝膠具有良好的血液相容性、抗細胞附著性和細胞相容性（圖3）。歸咎于動態(tài)游離的醛基和透明質酸上的羧基，可與組織蛋白上的氨基動態(tài)結合，水凝膠能牢固地粘附在大鼠側壁腸缺損模型受損組織表面，作為物理屏障起到了防腹腔組織粘連的效果，可望成為很有應用前景的臨床術后抗粘連材料。本項工作以題為“Dual dynamic crosslinked thermosensitive hydrogel with self-fixable property as a postoperative anti-adhesion barrier”發(fā)表在Acta Biomaterialia (2020, 110, 119-128)，論文鏈接：https://doi.org/10.1016/j.actbio.2020.04.034。
圖3 具有組織黏附性的雙交聯(lián)水凝膠，可作為物理屏障起到防腹腔組織粘連作用。
近日，團隊進一步采用葡萄多糖和F127建出一種基于動態(tài)肟鍵和疏水相互作用的雙動態(tài)交聯(lián)水凝膠，作為3D打印自固化水凝膠墨水。這種水凝膠墨水具有良好的溫度敏感性，在低溫下僅以輕度動態(tài)肟鍵交聯(lián)，能夠直接擠出成型；在被打印到生理溫度環(huán)境時，凝膠組分形成疏水相互作用二次交聯(lián)，從而增大凝膠強度和提高打印支架的穩(wěn)定性。解決了當前生物3D打印水凝膠墨水往往需要紫外光交聯(lián)、二次離子交聯(lián)等輔助手段，及其面臨小分子試劑殘存等問題。雙動態(tài)交聯(lián)作用使水凝膠具有良好的自愈合能力，有助于在打印過程中結構間的融合。該水凝膠具有優(yōu)異的力學韌性，如拉伸、壓縮和恢復性能。經絲素蛋白包被后，該載體具有良好的細胞相容性并促進細胞增殖，包括HaCaT細胞、NHDF和HUVEC等皮膚細胞在整個結構中呈現(xiàn)鋪展形態(tài)。該3D打印支架可作為皮膚再生或其他組織細胞治療的支架材料。相關論文以題為“Direct 3D printing of thermosensitive AOP127-oxidized dextran hydrogel with dual dynamic crosslinking and high toughness” 發(fā)表在Carbohydrate Polymers（2022, 291, 119616），論文鏈接：https://doi.org/10.1016/j.carbpol.2022.119616。
圖4 溫度敏感水凝膠直接擠壓式3D打印示意圖。（A）低溫（16℃）下水凝膠中動態(tài)肟鍵交聯(lián)示意圖；（B）3D打印過程及在生理溫度（37℃）下疏水相互作用二次交聯(lián)；（C）3D打印支架的韌性；（D）細胞在3D打印支架中的三維分布。
