上海有机所张卡卡研究员/瑞凝生物潘震博士合作AM：生物医学水凝胶形成过程实现“肉眼可见”！

在生物医学领域，水凝胶因其良好的生物相容性和可注射性，被广泛应用于肿瘤放疗保护、组织防粘连、伤口修复和药物递送等方面。然而，水凝胶在体内是否成功形成并精确定位，一直是技术上的难题。目前主要依赖视觉观察或CT成像，但这些方法受生物环境干扰大、信号对比度低，无法准确判断凝胶化状态与位置，亟需一种能够在水凝胶形成过程中产生显著信号变化的新型可视化技术。

近日，中国科学院上海有机化学研究所张卡卡研究员和上海瑞凝生物科技有限公司潘震博士合作研究提出了一种基于有机余辉发射体的新型可视化策略，成功实现了对生物医学水凝胶形成与定位的实时、高对比度观察。该研究设计了一类具有小磷光速率（ kp≈0.04s−1）、小非辐射衰减速率（knr≈0.01s−1）且氧淬灭速率（kq）可控的有机余辉材料。在液态环境下，该材料因氧淬灭效应而不发光；而在水凝胶形成后，由于氧扩散受阻和浓度下降，材料发出明亮且持久的长余辉，磷光寿命最高可达15.82秒，从而实现了凝胶化过程的高对比度可视化。相关论文以“Organic Afterglow Emitters for Visual Observation of Hydrogel Formation in Biomedical Systems”为题，发表在

Advanced Materials

图1. 一种具有小kP（磷光速率）、小knr（非辐射衰减速率）和可控kq（三重态激发态淬灭速率）的有机余辉发射体，其在液态下处于“关闭”状态，并在水凝胶形成时转为“开启”状态。此处，knr的构成包括发射体与基质的振动和旋转运动，而kq的构成则包括氧淬灭、从发射体到基质的能量转移、以及由发射体聚集引起的淬灭。本研究中所用的PMMA（聚甲基丙烯酸甲酯）乳胶颗粒（即DCor的实际基质）具有非常高的T1能级，因此从DCor的T1态到PMMA的能量转移可忽略不计；并且DCor在PMMA中的浓度极低（约0.1%），可消除分子聚集引起的淬灭。因此，本研究中的kq主要由氧淬灭主导。需要指出的是，在已报道的研究中对knr和kq的构成有不同的描述。例如，在Hirata的综述文章中，由基质微弱运动导致的三重态激发态失活被归入kq，而在本研究中则将其纳入knr。通过这种方式，能更清晰地讨论溶胶-凝胶转变过程中氧淬灭速率常数（kq）的变化。

研究人员选用氘代晕苯（DCor）作为发光分子，因其在刚性环境中可表现出极长的磷光寿命。通过乳液聚合法将其封装于聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）乳胶颗粒中，形成了尺寸约122纳米的颗粒，可在水相中稳定分散。在脱氧条件下，该乳液表现出长达18.76秒的余辉寿命，而在有氧环境中则因氧淬灭而无余辉。将其引入水凝胶前体溶液中，在凝胶形成后，由于凝胶网络阻碍氧扩散，余辉被“激活”，实现了从无到有的显著光学切换。

图2. a) 氘代晕苯的合成路线； b) 氘代晕苯在77K THF溶液中的延迟发射光谱（延迟1毫秒）及其T₁态电子-空穴密度差的等值面图； c) 77K下在561 nm处监测的氘代晕苯在THF溶液中的发射衰减曲线； d) 通过乳液聚合在水相中制备有机余辉发射体的示意图； e) 动态光散射（DLS）测得的DCor-PMMA乳液的流体力学直径分布； f) DCor-PMMA乳胶颗粒的透射电镜（TEM）图像； g) 在常氧与脱氧条件下，DCor-PMMA乳液在室温下的延迟发射光谱（延迟1毫秒）； h) 在常氧与脱氧条件下，在570 nm处监测的DCor-PMMA乳液的室温发射衰减曲线。

在动物实验中，研究团队采用基于多胺/PEGBA的原位形成水凝胶系统，通过双注射器将含有DCor-PMMA颗粒的前体溶液注入大鼠皮下组织、子宫腔以及裸鼠皮下。凝胶在约2秒内迅速形成，并在停止激发光后发出持续1分钟以上的黄绿色余辉，余辉寿命最高达15.82秒。实验表明，该余辉信号能够准确指示水凝胶的位置与形态，且不影响凝胶的成型速度、生物相容性与力学性能。

图3. a) 多胺/PEGBA原位形成水凝胶系统的稀释剂A与B组成； b) 注射与凝胶化过程示意图； c–e) 在SD大鼠皮下组织（c）、子宫腔（d）以及裸鼠皮下组织（e）中形成的水凝胶在激发光下及停止激发后的照片。

为进一步提升其生物医学应用潜力，团队还开发了一体化“注射-激发-监测”设备，该设备集成双注射器、紧凑型激发光源和纤维相机，可在自然体腔中实时观察水凝胶形成过程。在离体猪结肠组织和比格犬子宫-直肠界面模型中，该设备成功捕捉到凝胶形成后的明显余辉信号，证实其在复杂生物组织内仍具备良好的可视化能力。

图4. a) 一体化“注射-激发-监测”设备的结构与功能示意图； b) 离体猪结肠组织中注射水凝胶后停止激发光后的余辉照片； c) 结肠截面在激发光下及停止激发后的照片； d) 比格犬子宫-直肠间注入水凝胶后停止激发光后的余辉图像； e) 隔膜切开后水凝胶在激发及停止激发后的照片； f) 取出后的水凝胶在激发及停止激发后的照片。

研究还对水凝胶的机械性能、降解抗性和生物相容性进行了系统评估。动态流变测试显示其储能模量高于损耗模量，压缩模量达438 kPa，具备良好的力学强度。FTIR证实了希夫碱的形成，SEM图像展示了其三维网络结构。体外降解实验表明，水凝胶在PBS中浸泡两个月仍保持结构完整，体内实验也显示其具有良好的降解抗性。细胞毒性实验表明，DCor-PMMA乳液及所形成的水凝胶提取液对NIH3T3细胞毒性可忽略，且未引起延迟性皮肤过敏反应。

图5. a) 含发射体与不含发射体的水凝胶样品的频率扫描测试； b) 水凝胶样品的压缩模量（n = 3）； c) 多胺/PEGBA水凝胶的FTIR光谱； d,e) 含发射体的多胺/PEGBA水凝胶的SEM图像； f) 多胺/PEGBA水凝胶在37°C PBS缓冲液中的降解曲线（n = 3）； g,h) 多胺/PEGBA水凝胶在SD大鼠皮下组织中的降解情况（g为水凝胶照片，h为水凝胶重量变化）。

通过在不同水凝胶体系中的光物理研究，团队发现凝胶网络中氧扩散速率显著降低是余辉产生的关键。尤其在自由基聚合形成的聚丙烯酰胺水凝胶中，余辉寿命甚至达到23.00秒，创下了当前水凝胶体系中的最高纪录。进一步机制研究表明，聚乙烯亚胺（PEI）具有一定的脱氧能力，而凝胶网络的形成则大幅降低了氧扩散速率，两者协同作用使得kq降至约0.02 s⁻¹，从而在生理环境下实现余辉的“开关”效应。

图6. a) DCor-PMMA/多胺/PEGBA水凝胶的室温延迟发射光谱（延迟1毫秒）； b) 在536 nm与566 nm处监测的该水凝胶的室温发射衰减曲线； c) DCor-PMMA/PAAm、PNIPAM及PAANa水凝胶的延迟发射光谱； d) 相应水凝胶在566 nm（PAAm）、572 nm（PNIPAM）及565 nm（PAANa）处的发射衰减曲线； e) 新制备的DCor-PMMA/PAAm水凝胶在试管中正放与倒置时，余辉边界随时间变化的图像； f) 不同固含量明胶水凝胶中DCor-PMMA颗粒在570 nm处的发射衰减曲线。

图7. a) 不同质量分数PEI水溶液在25°C下的氧浓度变化； b) DCor-PMMA乳液与不同质量分数PEI混合后的室温延迟发射光谱； c) 在568 nm处监测的DCor-PMMA乳液与不同质量分数PEI混合后的发射衰减曲线； d) 在多胺/PEGBA水凝胶系统中，PEI降低氧浓度，凝胶网络形成后氧扩散速率下降，两者协同导致余辉产生的示意图。

该研究不仅提供了一种新型、可靠的水凝胶形成可视化技术，无需复杂仪器即可通过肉眼或简易设备直接观察，还为在水相和软物质体系中构建高性能有机余辉材料提供了新思路。未来，研究团队计划将该余辉发射体进一步整合到临床水凝胶产品中，如用于宫颈癌放疗保护的Respacio水凝胶，推动其向实际医疗应用转化，并开发更多功能型余辉材料以拓展其在生物医学领域的应用范围。

来源：高分子科学前沿

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