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有生命的自愈性凝胶材料

   日期:2021-10-25     来源:复材网    浏览:6    评论:0    
核心提示:在临床应用中,多数水凝胶由于构成骨架刚性过强且不具有动态性质,容易受到外部机械力引起的变形或损坏,导致使用寿命缩短,引起
 在临床应用中,多数水凝胶由于构成骨架刚性过强且不具有动态性质,容易受到外部机械力引起的变形或损坏,导致使用寿命缩短,引起感染和诱发炎症反应。
  
自愈性水凝胶是一种损伤之后能够实现自我修复的水凝胶,具有动态性质,可以通过结构设计调节物理和化学性能,进行功能化的精确修饰,如引入亲水性基团、抗菌基团等,通过改变分子参数、配体/金属比例、聚合物修饰或者改性等调节机械性能和动态性能,可模仿或与动态生物环境相互作用。此外,自愈性水凝胶可装载多种生物活性物质,通过结构设计使其具备多种生物刺激响应性,在空间和时间上控制化疗药物、蛋白质或细胞等的释放。这些独特的性能使得自愈性水凝胶的设计和制备在药物递送、组织工程和再生医学领域具有广阔的应用前景。
  
水凝胶自愈机理
  水凝胶是由亲水性高分子交联而成的三维网络体系,不同的交联方式会赋予水凝胶不同的性质,比如氢键交联、光交联、pH 响应交联等。由具有动态特性的交联网络构建形成这种材料具有本征性的自愈性,因此设动态可逆的交联作用是制备自愈合水凝胶的关键。可逆交联作用一般分为可逆共价键作用(如亚胺键)和可逆非共价键作用(如氢键)。一方面动态化学键对多种环境刺激具有响应性,另一方面可对外界破坏造成的损伤进行自我修复,能自我调节以适应环境变化,为将自愈性水凝胶开发为自适性多功能智能新材料的发展奠定了基础。
  
可逆共价键作用
  1、亚胺键和酰腙键
  亚胺键,也叫希夫碱,是由伯胺和活性羰基化合物(醛基、酮)发生缩合反应而生成的,具有动态可逆的特性。因此以亚胺键为交联结构的水凝胶具有一定的自愈合性。目前广泛应用于生物医用材料中的高分子如壳聚糖、聚赖氨酸、聚乙烯亚胺、葡聚糖、蛋白质及多肽等物质含有丰富的氨基,利用这些高分子来设计亚胺键交联制备的自愈合水凝胶在生物医学方面有着巨大的应用前景。
  酰腙键也是一种动态可逆的化学键,由酰肼和醛基反应生成。酰腙键在动态共价键中属于结合较稳定的一类,具有明显的pH 依赖性。
  2、Diels-Alder 反应
  Diels-Alder 反应,又名双烯加成,由共轭双烯与烯烃或炔烃反应生成六元环的反应,具有热可逆性,可用作自愈合水凝胶的化学交联反应。之前的研究中,科研人员开发了具有弹性、可注射性的多功能水凝胶和基于DA 点击化学的组织粘合能力用于软骨组织修复。此外,通过呋喃基和马来酰亚胺之间的DA 点击化学形成的环己烯衍生物(氧-降冰片烯基团)可以通过硫醇-烯反应进行有效地与硫醇基团反应,可以用于进一步官能化水凝胶。
  可逆非共价键作用
  1、氢键作用
  氢键是一种比共价键和离子键作用弱的非共价键力,它普遍存在于生物体和化学分子中。氢键是一种可逆作用,在高温下被破坏,低温下重新形成。因此可以利用氢键这一特性来制备氢键交联的自愈合水凝胶。
  2、金属配位键作用
  金属配位键是由过渡金属离子(如Fe3+、Zn2+、Cu2+)提供空轨道、配体(如-OH、-COOH 等基团)提供孤对电子形成的一类化学键。金属配位键具有动态可逆的性质,是制备剪切变稀和自愈合水凝胶的一种有效分子设计策略。通过在高分子骨架上共价结合配体分子,并向其中引入金属离子,即可形成基于配体-金属配位键的交联点,从而制备出具有自愈合性能的水凝胶。通过选择不同的配体和金属离子,可制备出具有一系列不同力学强度的水凝胶,用以满足不同生物医学应用中的力学需求。
  
自愈性水凝胶应用
  伤口愈合
  近年来出现了再生性伤口敷料,可有效治疗受损的皮肤组织。研究者们提出了许多不同类型的伤口敷料,如薄膜、橡胶、泡沫、纳米纤维及水凝胶敷料。这些材料具有保持伤口周围潮湿环境,吸收组织渗出物和高氧渗透性,以促进最佳组织再生的特性。水凝胶具有高水合的3D聚合物网络,与干重相比,可以结合多几倍的水,从而保持伤口的高水分状态。可以作为细胞、抗菌剂、生长因子、补充剂的载体。水凝胶除了具有良好的注射性、自愈性外,还具有粘附性、生物相容性和抗菌性,对金黄色葡萄球菌和大肠埃希菌的抑制率分别为96%和98%,适合通过注射给药作用于伤口处,促进伤口的愈合。自愈合性和良好力学性能的抗菌水凝胶作为皮肤和关节伤口愈合的敷料具有重要的应用前景。
  组织工程
  组织工程是指将细胞从体内分离后,经体外扩增,搭载于生物相容性良好、化学性质稳定的组织工程支架材料上,再植入体内患处的学科。在细胞培养过程中,组织工程支架材料需要为细胞的生长提供充足的养料、适宜的增殖环境,同时也要具备一定的机械强度,为细胞的体内增殖提供良好的三维结构等。水凝胶本身拥有极高的含水量,可为细胞的体内生长提供良好的营养代谢物质,同时自愈合水凝胶本身的三维立体结构能更好地与体内组织相匹配,其本身的自愈性能为细胞微创植入体内提供了可能,因此自愈合水凝胶在细胞三维培养中被广泛应用。
  药物输送
  水凝胶作为药物载体不仅可定向运载药物分子、多肽、蛋白等,而且可作为蛋白质或酶的配合物。水凝胶内部的三维网状结构和贯通凝胶内部的孔道对于运载药物的扩散以及运载的生物活性分子具有重要意。与其他合成材料相比,水凝胶内部结构与人体组织特性最为接近,因此水凝胶在隐形眼镜、生物传感、人造皮肤和药物递送领域具有广阔的应用前景。
  仿生皮肤
  随着人工智能和软体机器人等领域的发展,模仿人体皮肤感知能力和力学性能的多功能传感器的研发和制备受到越来越多研究者的关注。在化学领域里,特定结构的高分子水凝胶就可以模拟人的触觉,因为其中的载流子就是电子,和人真实皮肤的工作原理非常接近。
  电子器件/传感器
  可拉伸导电材料在未来各种领域的应用是不可或缺的,例如可拉伸板、柔性储能装置、电极、传感器和可穿戴装置。为了实现这些目标,关键问题是同时引入机械强度和电导率。导电水凝胶由于其优异的柔韧性,良好的电气特性和可调谐的机械性能而具有一体化潜力。迄今为止,各领域的研究人员中已经广泛研究了导电水凝胶,例如,应用于柔性超级电容器和传感器中的导电聚合物水凝胶。
  自愈合水凝胶可广泛使用于生物医用、制备柔性皮肤材料等特殊专业领域。由于其具有良好的亲水性、对多种环境刺激响应性、高强度、高拉伸性、高韧性优异的自修复与循环利用性能,水凝胶在生物组织工程和电子皮肤等方面拥有独到的优势。但目前自愈合水凝胶材料的制备技术仍不完善,高含水量使其机械性能差,未来自愈合水凝胶材料的研究方向主要在降低生产成本,寻找最优方案和配置方法。
 
 
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