西安交通大学补亚忠团队最新Cell Biomaterials：粘性水凝胶的降解调控和生物应用

粘附性水凝胶具有革新传统水凝胶在生物医学领域应用的潜力。其最大优势在于 固有的组织粘附能力，无需额外的固定装置。这一特性使其在伤口闭合、体液渗漏封堵、创面修复、组织工程、医疗器械内固定等方面展现出巨大的应用前景。而粘性生物胶的降解调控，有助于加速其走向临床转化。

西安交通大学补亚忠团队利用琥珀酰胺酯键的环化降解机制，开发了一系列可控降解的粘性水凝胶，并揭示了其中机制。研究发现通过调控水凝胶的降解速率，能够在不同的动物模型应用中取得更优效果。相关内容以“Succinamide Ester-containing Adhesive Hydrogels with Controllable Degradation for Biomedical Applications”为题发表在《Cell Biomaterials》上。

【主要内容】

1、琥珀酰胺酯键的环化降解机理

相比于传统酯键，琥珀酰胺酯键由于其环化水解特性，具有更加快速的降解速度。通过实验作者发现，该过程依赖于水分子的参与。通过计算与结构模拟，作者提出了琥珀酰胺酯键可能的降解机理，即：反应步骤为酰胺氮通过水分子质子转移形成烯醇，去质子的酰胺氮亲核进攻酯键上的羰基，酯键断裂形成醇和五元环状产物。为了更好的调控粘性水凝胶的降解速度，在此基础上，团队提出了三种降解调控方法。

图1 琥珀酰胺酯键的环化降解机理

2，通过混合控制降解速度

琥珀酰胺酯键的形成非常简单，通过将含有琥珀酸羧基活化酯的单体与含有氨基的单体混合即可得到。在粘性水凝胶的制备过程中，将含有琥珀酸羧基活化酯的单体和含有一般羧基活化酯的单体通过不同比例的混合后成胶，即可以得到含有不同含量传统酯键和琥珀酰胺酯键的粘性水凝胶。不同琥珀酰胺酯键的含量能够控制降解速度，实现降解速度从数小时到数天的调控。作者在不同氨基前驱体形成的结构中都观察到了该现象，证明了调控方法的普适性。同时，这种混合并不会改变形成凝胶的初始性能，例如成胶时间、机械强度以及粘附强度等。

图2 通过混合酯键调控降解速度

3，通过控制质子浓度控制降解速度

研究发现琥珀酰胺模型化合物的降解行为呈现明显的pH依赖性。在外环境碱性条件下降解速率更快，在第3天就出现环化产物特征峰。在酸性条件下的降解速率显著变慢，而且降解路径变更为酯键的直接断裂。作者推测在碱性条件下，酰胺氮易脱质子，脱质子的酰胺氮亲核性提高。在酸性条件下，酰胺氮不易脱质子，水分子主要以水合质子形式存在，酰胺氮上的质子难以通过水分子进行质子转移。所以，通过控制外环境的pH值，在碱性环境中，琥珀酰胺酯键能够发生环化降解，而碱性越强，降解速度越快。而在酸性环境中，降解变为酯键的直接水解，所以降解速度变慢。同时，质子浓度的控制，亦可以通过通过浸泡不同浓度的质子供体（聚丙烯酸）和质子受体（聚乙烯亚胺）实现，质子浓度越高降解越慢。

调控水凝胶内在网络中的质子水平也能够调控降解。研究团队通过对白蛋白（BSA）上的羧基进行修饰，调控凝胶网络中的质子浓度。首先对BSA进行梯度修饰氨基（质子受体），随后和聚乙二醇琥珀酸活性酯制备水凝胶，氨基化程度越高，水凝胶的降解速率越快。随后通过甲基化对BSA上的羧基梯度屏蔽，羧基越少，水凝胶的降解速率越快。

图3 通过调节外环境的质子水平调控水凝胶的降解

图4 通过调节内在分子的质子水平调控水凝胶的降解

4，通过C端和N端调控进行降解速度的调控

研究团队通过琥珀酰胺酯键的羧基端和氨基端修饰，利用位阻，构想改变等，通过影响水分子参与酰胺氮的质子转移的能力，也完成了粘性水凝胶的降解速度调控。

图5 通过调C端和N端修饰调控水凝胶的降解

5，不同降解时间的水凝胶在不同动物模型中的应用

作者通过不同的动物模型证明了，在大鼠的盲肠吻合-腹壁损伤模型中，使用三种不同降解时间的琥珀酰胺酯键粘性水凝胶治疗，降解速度最快的水凝胶具有更好的防粘连效果。这可能是由于降解速度快的水凝胶能短期内起到物理屏障的作用，阻止伤口与周围组织的接触，并迅速消失，避免长期的异物反应，从而不会诱发纤维化组织再生。而在小鼠心脏损伤模型中，降解速度最慢的水凝胶具有更好的防粘连效果。这是由于心脏的持续运动创造了一个动态环境，加速了水凝胶的降解。因此，需要使用缓慢降解的水凝胶来提供持久的物理屏障，从而更有效地防止心脏粘连的形成。同时，机械支撑在心脏组织再生中起着至关重要的作用，而这一过程通常发生缓慢。长时间留存的水凝胶可以提供持续的机械支撑，从而可能减少纤维化、细胞凋亡、炎症和氧化应激。

最后，作者将琥珀酰胺酯键结构从粘性水凝胶体系拓展至冷冻凝胶，并得到了一样的降解趋势，证明此调控方法的普适性。在大鼠的不可压缩性肝脏出血模型中，不同降解时间的冷冻凝胶作用于出血部位，增强血小板粘附、活化和聚集，从而促进凝血酶生成和纤维蛋白交联，达到快速止血的目的。进一步实验表明快速降解的冷冻凝胶对止血后肝脏再生更有效，而慢降解的冷冻凝胶阻碍肝脏的再生。这也为生物可降解止血材料在其他应用中的开发提供了参考，当材料的降解速度与组织的再生速度相匹配时，更容易达到最佳的愈合效果。

图6琥珀酰胺酯键粘性水凝胶用于大鼠术后盲肠-腹壁防粘连

图7琥珀酰胺酯键粘性水凝胶用于小鼠心脏术后防粘连

图8琥珀酰胺酯键冷冻凝胶用于大鼠肝脏止血和再生

【全文总结】

在本研究中，研究团队阐明了琥珀酰胺酯键水凝胶的降解机理，通过混合酯键、外环境的质子调控、内在分子的质子调控以及羧基端和氨基端修饰调控琥珀酰胺酯键水凝胶的降解时间。通过调控使得降解时间匹配不同的临床应用场景。这项研究为琥珀酰胺酯键水凝胶的降解调控提供了一定的理论基础，并为可降解生物材料的开发和应用提供了潜在思路。西安交通大学2022级生物物理学专业博士生朱斌为论文的第一作者，补亚忠研究员为论文的唯一通讯作者。

来源：高分子科学前沿

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