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《Science》子刊：史上首次！高強度純兩性離子水凝膠

高機械強度和長期抵抗纖維囊形成是植入性材料面臨的兩大挑戰(zhàn)。遺憾的是，這兩個截然不同的屬性并沒有有機結(jié)合在一起，而是相互妥協(xié)。近日，來自美國華盛頓大學&康奈爾大學的Shaoyi Jiang等研究者，報道了一種獨特的材料，通過“膨脹”和“鎖定”機制將兩種弱兩性離子水凝膠整合成類似彈性體的高強度純兩性離子水凝膠。相關(guān)論文以題為“High-strength and fibrouscapsule–resistant zwitterionic elastomers”發(fā)表在Science Advances上。

長期以來，合成水凝膠一直是很有吸引力的材料，可用于模擬生物組織的醫(yī)學應用，如組織支架。實現(xiàn)這一目標有兩個主要標準：優(yōu)異的機械性能和長期抵抗異物反應引起的纖維囊形成。然而，這些性質(zhì)在同一種材料中通常不會共存，并且相互損害，前者要求疏水性，而后者要求親水性。雖然體外蛋白吸附、細胞粘附和細胞毒性是評估生物材料的常用方法，但它們遠不能解決復雜生命系統(tǒng)中抵抗纖維囊的挑戰(zhàn)。該材料植入后很長一段時間內(nèi)，不觸發(fā)纖維囊形成的能力是特別具有挑戰(zhàn)性的。眾所周知，幾乎所有的合成材料在植入后1個月內(nèi)都會引起異物反應和纖維囊的形成。人們已經(jīng)通過材料的幾何形狀或化學修飾來緩解這種異物反應，超親水兩性離子水凝膠在解決這一問題上特別有希望。在研究者的早期研究中，兩性離子聚羧基甜菜堿(pCB)水凝膠，已被證明在小鼠皮下植入后3個月可以避免包膜形成，這是生物材料緩解這種反應的最長時間。然而，由于兩性離子水凝膠的超親水性，其力學性能較弱。增加材料力學性能的一個簡單的解決方案是添加疏水組分，但這增加了蛋白質(zhì)吸附和誘導纖維囊的形成。與此同時，各種水凝膠在增強力學性能方面也取得了長足的進展，如雙網(wǎng)絡、可逆交聯(lián);分子滑動;和更多的性能。雖然許多水凝膠具有較低的蛋白質(zhì)吸附和細胞粘附性，但它們?nèi)赃h未達到長期抵抗纖維囊。在此，研究者提出了一種兩性離子-彈性體網(wǎng)絡(ZEN)水凝膠(圖1A)，通過整合兩種弱兩性離子水凝膠：pCB和聚(磺基甜菜堿)(pSB)實現(xiàn)。在這種pCB/pSB ZEN水凝膠中，pCB是次要成分，形成一個緊密的交聯(lián)網(wǎng)絡來產(chǎn)生彈性，而pSB是主要成分，形成一個松散的交聯(lián)網(wǎng)絡來提供粘度。這些兩性離子-彈性網(wǎng)狀(ZEN)水凝膠，在植入小鼠后可有效抵抗纖維囊形成長達1年。這種材料既具有較高的力學性能，又具有長期的纖維囊阻力，這是以前從未實現(xiàn)過的。

圖1 具有高機械性能的pCB/pSB ZEN水凝膠。

圖2一系列pCB/pSB水凝膠的力學性能和溶脹性能。

圖3 ZEN水凝膠的基本設計原則。

圖4 pCB/pSB ZEN水凝膠在小鼠皮下植入1年后具有長期的纖維囊耐受性和耐久性。綜上所述，研究者報道了一種“ZEN”水凝膠，表現(xiàn)出獨特的機械強度和長期抗纖維囊的組合。ZEN水凝膠的主要特征是它由兩個不同的純兩性離子網(wǎng)絡組成——一個緊密交聯(lián)的小組分網(wǎng)絡具有高的膨脹性，一個松散交聯(lián)的主組分網(wǎng)絡具有關(guān)鍵的鎖定效果。研究發(fā)現(xiàn)pCB/pSBZEN水凝膠在大范圍變形下，表現(xiàn)出良好的彈性，減少纖維囊的形成，并在小鼠皮下植入長達1年的時間內(nèi)保持穩(wěn)定而不退化或機械強度喪失。ZEN水凝膠的耐久性和纖維囊性，將為軟骨置換、組織修復和導管等植入材料的長期發(fā)展提供了一條新途徑。論文鏈接：https://advances.sciencemag.org/content/7/1/eabc5442

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