可注射又可3D打印！葡萄糖敏感型水凝膠登 Carbohydr. Polym

來(lái)源：EngineeringForLife

殼聚糖基水凝膠引起了人們對(duì)生物制造的興趣。然而，它們較差的水溶性和脆性導(dǎo)致機(jī)械穩(wěn)定性較弱，限制了它們?cè)?D打印中的應(yīng)用。

近期，臺(tái)灣大學(xué)Shan-hui Hsu團(tuán)隊(duì)合成了取代度~25%的羧基苯基硼酸接枝殼聚糖（CB）聚合物。受簡(jiǎn)便可控的硫醇-烯點(diǎn)擊化學(xué)的啟發(fā)，進(jìn)一步開發(fā)了一種使用自組裝CB簇作為交聯(lián)劑以證明3D打印性增強(qiáng)的 PEG-殼聚糖硼酸（PB）水凝膠。CB交聯(lián)水凝膠憑借其葡萄糖響應(yīng)性、生物相容性、可調(diào)性能和3D可打印性，可作為葡萄糖傳感的可加工材料或易于移除的犧牲層制造材料。

相關(guān)研究成果以“Self-assembled chitosan‑boronic acid hydrogel as dynamic crosslinker to produce 3D-printable glucose-sensitive hydrogel”為題于2025年5月13日發(fā)表在《Carbohydrate Polymers》上。

1. CB聚合物的合成與表征
首先，研究者通過EDC/NHS化學(xué)方法，將4-羧基苯硼酸（CPBA）接枝到殼聚糖上，成功合成了具有約25%取代度的殼聚糖-硼酸（CB）聚合物。核磁共振（1H NMR）譜圖、紫外-可見光譜（UV-vis）和傅里葉變換紅外光譜（FTIR）有力地證明了CPBA通過羧酸與殼聚糖胺基的縮合反應(yīng)成功接枝到殼聚糖上，形成了CB聚合物，同時(shí)顯著提升了殼聚糖的水溶性，為后續(xù)的水凝膠制備和應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)（圖1）。

圖1 CB聚合物的合成與表征

2. 不同固含量CB水凝膠的流變性能
隨后，研究者通過動(dòng)態(tài)頻率掃描實(shí)驗(yàn)分析了不同固含量的CB水凝膠的流變性質(zhì)。結(jié)果表明，低固含量（0.2%、0.5%、1%）的CB水凝膠表現(xiàn)出較弱的凝膠特性，其儲(chǔ)能模量（G'）和損耗模量（G''）在低頻時(shí)較小，且G'隨頻率增加迅速上升，表明其結(jié)構(gòu)較弱（圖2）。而高固含量（2%、3%、4%）的CB水凝膠則表現(xiàn)出相對(duì)穩(wěn)定的G'和G''，表明其具有更強(qiáng)的彈性行為和更穩(wěn)定的凝膠結(jié)構(gòu)。此外，高固含量的CB水凝膠在應(yīng)變-模量測(cè)試中表現(xiàn)出自愈行為，其中3%的CB水凝膠在應(yīng)變誘導(dǎo)的損傷和愈合循環(huán)中表現(xiàn)出可逆的凝膠-溶膠-凝膠轉(zhuǎn)變（圖3）。這些結(jié)果表明，CB水凝膠的流變性質(zhì)隨固含量的增加而顯著增強(qiáng)，為其在3D打印和生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用中的潛在應(yīng)用提供了重要信息。

圖2 不同濃度下CB水凝膠的流變性能

圖3 高含量組CB水凝膠的應(yīng)變依賴流變性能

3. 通過相干SAXS分析CB水凝膠的微結(jié)構(gòu)
之后，研究者利用相干小角X射線散射（SAXS）技術(shù)分析了不同固含量CB水凝膠的微觀結(jié)構(gòu)。結(jié)果表明，低固含量（1 wt%）的CB水凝膠表現(xiàn)出較為均勻的分散鏈結(jié)構(gòu)，其散射曲線呈現(xiàn)單調(diào)下降趨勢(shì)（圖4A）。隨著CB固含量的增加（2 wt%和3 wt%），散射強(qiáng)度顯著增強(qiáng)，并在SAXS曲線中出現(xiàn)肩峰，這表明CB聚合物逐漸聚集形成特定尺寸的聚集物（約7 nm）。此外，在應(yīng)變作用下，3 wt% CB水凝膠的微觀結(jié)構(gòu)更容易被破壞，其SAXS曲線變得更為陡峭，肩峰變得不明顯（圖4B-D）。圖4E展示了CB水凝膠內(nèi)部聚集物形態(tài)隨固含量增加的變化趨勢(shì)。這些結(jié)果揭示了CB水凝膠在不同固含量下的微觀結(jié)構(gòu)特征及其在應(yīng)變下的結(jié)構(gòu)變化。

圖4 不同濃度下CB水凝膠的相干SAXS譜圖

4. CB作為新型交聯(lián)劑制備具有獨(dú)特流變和力學(xué)性能的葡萄糖敏感聚乙二醇-殼聚糖硼酸酯(PB)水凝膠

隨后，研究者以CB（殼聚糖-硼酸）為新型交聯(lián)劑，用于制備具有獨(dú)特流變和機(jī)械性能的葡萄糖敏感型聚乙二醇-殼聚糖硼酸酯（PB）水凝膠。通過將CB與聚乙二醇（PD）反應(yīng)形成硼酸酯鍵，構(gòu)建了動(dòng)態(tài)化學(xué)網(wǎng)絡(luò)（圖5）。含硼酸酯的 PEG-殼聚糖動(dòng)態(tài)網(wǎng)絡(luò)水凝膠（簡(jiǎn)稱 PB 水凝膠）具有抗蠕變、延展性（高度拉伸）、自修復(fù)和葡萄糖敏感的特性。

圖5 自組裝CB水凝膠和CB作為新型交聯(lián)劑形成葡萄糖敏感動(dòng)態(tài)水凝膠（PB）的示意圖

研究發(fā)現(xiàn)，隨著CB濃度的增加，PB水凝膠的儲(chǔ)能模量（G'）顯著提高，表明其機(jī)械強(qiáng)度增強(qiáng)（圖6）。PB2.5水凝膠需要更高的應(yīng)變才能轉(zhuǎn)變?yōu)槿苣z狀態(tài)，表明其內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)更加堅(jiān)韌.此外，它還具有自修復(fù)行為。

圖6 PEG-CB交聯(lián)水凝膠PB2.5的流變學(xué)性質(zhì)

5. 通過相干小角X射線散射分析PB水凝膠的微觀結(jié)構(gòu)
然后，研究者利用相干小角X射線散射（SAXS）技術(shù)分析了不同CB交聯(lián)劑濃度的PB水凝膠的微觀結(jié)構(gòu)。結(jié)果表明，隨著CB濃度的增加，PB水凝膠的散射曲線斜率變得更陡峭，表明網(wǎng)絡(luò)交聯(lián)密度增加（圖7A）。圖7B展示了PB水凝膠內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)隨CB濃度增加的演變示意圖，顯示了聚合物網(wǎng)格在交聯(lián)點(diǎn)增加時(shí)被拉伸成更三維的結(jié)構(gòu)。這些結(jié)果表明，CB交聯(lián)劑濃度的增加不僅增強(qiáng)了PB水凝膠的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，還促進(jìn)了更大聚集物的形成，從而提高了水凝膠的機(jī)械強(qiáng)度和穩(wěn)定性。

圖7 不同濃度的CB交聯(lián)劑下，PEG-CB交聯(lián)水凝膠（PB）在 25°C時(shí)的相干SAXS譜圖

6. PB水凝膠的犧牲性能和葡萄糖敏感性
然后，研究者評(píng)估了PB水凝膠的可犧牲性能和葡萄糖敏感性。ARS染料與CB的硼酸基團(tuán)結(jié)合后，在葡萄糖存在下會(huì)發(fā)生顏色變化，隨著葡萄糖濃度增加，顏色從淡黃色逐漸變?yōu)槌壬�或粉色（圖8A）。通過UV-vis光譜分析，建立標(biāo)準(zhǔn)曲線，證實(shí)了PB2.5水凝膠對(duì)葡萄糖的敏感性（圖8B）。這些結(jié)果表明，PB水凝膠具有良好的葡萄糖響應(yīng)性，可作為葡萄糖檢測(cè)的潛在材料。

圖8 PB2.5水凝膠的葡萄糖敏感性

7. PB2.5水凝膠的注射性和3D可打印性
最后，研究者評(píng)估了PB2.5水凝膠的可注射性和3D打印性能。實(shí)驗(yàn)表明，PB2.5水凝膠能夠通過27G（內(nèi)徑約210 μm）的注射針頭順利擠出，而對(duì)照組水凝膠（由小分子硼砂交聯(lián)）在擠出后膨脹且表面不連續(xù)，1分鐘內(nèi)失去形狀并合并（圖9A）。此外，PB2.5水凝膠成功用于3D打印，打印出的網(wǎng)格狀平方圖案的微通道寬度約為360 μm，膨脹比約為170%（圖9C）。PB2.5水凝膠展現(xiàn)出良好的堆疊能力，打印后能保持超過95%的原始設(shè)計(jì)高度（1.2 cm）（圖9D）。這些結(jié)果證明了PB2.5水凝膠具有優(yōu)異的可注射性和3D打印性能，適用于生物制造應(yīng)用。

圖9 PB2.5交聯(lián)水凝膠的可注射性和三維印刷性

綜上，本文通過將CPBA接枝到殼聚糖上合成了取代度為~25%的聚合物。CB聚合物可以通過氫鍵、π–π堆積和陽(yáng)離子–π相互作用等協(xié)同作用進(jìn)行自組裝。SAXS譜圖表明，CB自組裝水凝膠的完整性可能源于由超分子力驅(qū)動(dòng)的簇形成（~7 nm）。除了自組裝之外，將線性PD聚合物摻入CB水凝膠中可以提高結(jié)構(gòu)脆性，同時(shí)通過交聯(lián)增強(qiáng)延展性。PB水凝膠的動(dòng)態(tài)、剪切稀化、自修復(fù)和彈性特性促進(jìn)了連續(xù)細(xì)絲沉積和3D打印過程中的結(jié)構(gòu)完整性。SAXS分析進(jìn)一步揭示了PB動(dòng)態(tài)基質(zhì)內(nèi)物理簇（~9.4–17 nm）的形成，顯著增強(qiáng)了3D堆疊性而無(wú)需后處理加固。PB水凝膠憑借其延展性、韌性和固有的3D堆疊性，成為了一種獨(dú)特的葡萄糖敏感性和3D可打印材料，適用于生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用。

參考資料：https://doi.org/10.1016/j.carbpol.2025.123737