水凝胶，即亲水或两亲的高分子通过物理或共价键交联形成网络，是一类粘弹性材料，按质量计为70-99％的水，保留在交联的高分子网络中。无催化快速交联对共价交联的水凝胶构建具有非凡的意义。到目前为止，已制备的用于形成共价交联的水凝胶的反应，例如Michael-加成反应，叠氮化物-炔烃环加成反应和Diels-Alder反应。羰基和N-亲核试剂（举个例子：伯胺，氨氧和酰肼基）之间的缩合反应已很成熟地用于生物医学及水凝胶领域。
近期，中国科学院长春应用化学所院士陈学思教授团队首次报道了N-亲核试剂（酰肼，伯胺和氨氧基）与邻苯二甲醛（OPA）之间的缩合反应以形成水凝胶（固含量低至1%）。将含有OPA的四臂聚乙二醇（4aPEG）与各种以N-亲核试剂封端的4aPEG混合时，形成的水凝胶具有超快的成胶速率，高模量和极低的临界凝胶化浓度（CGC）。结果表明，邻苯二甲酰亚胺键形成的二级速率常数分别比苯甲醛酰腙和肟的速率常数高倍与倍。通过经由OPA与-NH2之间的反应引入带有-NH2的肽，这样可以简易地将赋予水凝胶生物功能性。该研究以题为“Afastandversatilecross-linkingstrategyviao-phthalaldehydecondensationformechanicallystrengthenedandfunctionalhydrogels”的论文发表在6月《NationalScienceReview》上。
1.功能聚合物合成
作者首先合成了OPA或N-亲核试剂端基的各种形式的4aPEG，其中包括了以OPA端基的4aPEG（4P-OPA），酰肼末端的4aPEG（4P-NHNH2），伯胺末端的4aPEG（4P-NH2）和氨氧基末端的4aPEG（4P-ONH2）（图1）。
图1.（A）用于水凝胶形成的结构单元的结构。（B）由A中的材料形成水凝胶的示意图。（C）OPA（或PhCHO）与摩尔比为1：1的各种N-亲核试剂之间形成键的推定机理。
2.胶凝原理讨论
作者为理解4P-OPA凝胶的交联机理，核磁氢谱发现分配给OPA水合物的化学位移分别是6.44和6.15ppm（图3A）。另外，用紫外光谱评估了邻苯二甲酰亚胺形成的动力学（图3B）。混合OPA与氨基甲酸乙酯5mins后，核磁氢谱显示该混合物由水合物和IHBA（5.67和5.45ppm）组成，其中水合物/IHBA的摩尔比为53:47（图3C和D）。因为残留的醛基团进行亲核攻击，导致了环化产物2-(ethoxycarbonyl)-1,2-dihydro-phthalazin-1-ol产生（图3E）。
图2.（A）在D2O/DMSO-d6中，核磁氢谱分析OPA与甲胺反应时间的依赖性。（B）紫外谱仪监测邻苯二甲酰亚胺形成。（C）核磁氢谱监测OPA与氨基甲酸乙酯反应时间的依赖性（D）核磁氢谱积分计算化合物的百分比。（E）2-(ethoxycarbonyl)-1,2-dihydro-phthalazin-1-ol氢-碳光谱。
3.生物降解研究
OPA与N-亲核试剂的强反应活性为获得各式各样水凝胶（天然的和合成的）给予了广泛通用性的方法。另外，作者研究了4P-OPA和其他含N-亲核试剂的化学反应（图4A）。将4P-OPA与所有聚合物混匀后，导致试剂瓶测试与流变学测量（扫描时间）论述了其可在15秒至秒内合成水凝胶，这将取决于含N-亲核试剂的聚合物类型以及高分子的浓度（图4B）。随着增加高分子浓度，成胶的时间将降低，同时明显增强了水凝胶的模量（图4C–G）。掺杂多种高聚物（天然的或合成的）可使水凝胶具有调节生物降解的特性（图4H-I）。
图4.（A）4P-OPA与各种含N-亲核试剂高聚物（天然的和合成的）反应的合成方案。（B）不同高聚物浓度的混合成胶时间。（C-G）A中流变学测量（扫描时间）各种组合成胶的过程。（H-I）分别为4P-OPA/HA-ADH和4P-OPA/BSA水凝胶的溶胀和降解曲线。
4.生物体外活性测试
作者在pH7.4（生理pH）和4.0（可催化碳氮双键水解的酸性条件）下，评估了基于4P-OPA的水凝胶在PBS中的溶胀和降解行为。5％4P-OPA/4P-NHNH2水凝胶在pH7.4下显示9周的良好水解稳定性（图5A）。相比之下，相同的水凝胶在pH值为4.0的前8周中溶胀率明显增加，这可能与在酸性条件下含键的连续水解引起的交联密度逐渐降低有关。如图5B展示了当以浓度高达mgL-1的所有基于4aPEG的大分子单体培养48h时，细胞活力保持超过90％，表明水凝胶前体聚合物没有细胞毒性。为了研究掺入c（RGDfK）后水凝胶的细胞粘附特性的变化，将NIH3T3成纤维细胞接种到水凝胶表面12h后观察其粘附和铺展形态。在经过c（RGDfK）修饰的4aPEG水凝胶上，在带有肌动蛋白束的成纤维细胞的前缘观察到丝状伪足和片状脂质过氧化物（图5E），表明细胞健康黏附和扩散。此外，如细胞计数试剂盒8（CCK-8）分析所显示，发现细胞粘附在水凝胶表面并在5天内增殖（图5F）。相比之下，几乎没有细胞粘附或散布在未经c（RGDfK）修饰的4aPEG水凝胶上。因此，结果清楚地证明了OPA化学作为将生物活性肽或蛋白质掺入水凝胶的直接方法的潜力。
图5.（A）分别在pH4.0和7.4的PBS中5％4P-OPA/4P-NHNH2水凝胶的溶胀和降解曲线。（B）通过MTT测定法测定的与端基修饰的4aPEG孵育48小时后L细胞的生存力。（C）封装在2％4P-OPA/4P-NHNH2水凝胶中的L细胞的活/死细胞染色图像。（D）通过OPA和氨基之间的反应用带有胺的生物活性肽对4P-OPA/4P-NHNH2水凝胶进行功能化的示意图。（E）水凝胶上NIH3T3细胞的共聚焦激光扫描显微镜（CLSM）图像（F）通过CCK-8方法测定的RGD修饰的4aPEG水凝胶上NIH3T3细胞的增殖。
作者提出了一种超快成胶方法。与传统的苯甲醛/N-亲核试剂反应相比，OPA/N-亲核试剂交联的4aPEG水凝胶在生理条件下展示更高效的成胶速率。据悉，这是首次利用OPA/N-亲核化学作为水凝胶形成的交联方法。快速的凝胶动力学使细胞可以轻松地封装在水凝胶中进行三维培养。而且，可以利用OPA与软组织蛋白质中的氨基有效的反应来制备用于伤口闭合的水凝胶生物粘合剂。考虑到OPA化学的显着优势，笔者认为这种快速的无催化剂交联策略为构建广泛的生物医学应用的水凝胶具有巨大的潜力。
陈学思，中科院院士，中科院长春应化所研究员、博导，中科院生态环境高分子材料重点实验室学委会副主任。陈院士年本科毕业于吉大化学系；年研究生毕业于应化所并留所工作；年留学日本早稻田大学；年获得早稻田大学博士学位；-年在美国宾夕法尼亚大学从事博士后研究；年回应化所工作，先后担任研究员、博士生指导教师；4年获得获杰青；年入选科技部科技创新创业人才和万人计划；年入选国际生物材料与工程联合会会士；年当选为中国科学院院士。目前主要从事生物降解医用高分子材料、组织工程和药物缓释、聚乳酸等方向的研究与开发工作。
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