材料
聽100遍反方向的鐘
不能回到過去
但PEG水凝膠可以
水凝膠是長(zhǎng)期以來受到人們關(guān)注最多的生物材料之一，它們?cè)诨瘜W(xué)和物理性質(zhì)上都非常接近細(xì)胞的自然環(huán)境，因此作為細(xì)胞的二維和三維支架被廣泛研究。
水凝膠可以由人工合成的聚合物（如聚（乙二醇）、聚（甲基丙烯酸羥乙酯）等）與天然存在的聚合物（如膠原蛋白、透明質(zhì)酸等）交聯(lián)形成，并且由于它們的含水量非常高，可以有效被應(yīng)用于組織培養(yǎng)的3D模型，不受細(xì)胞、蛋白質(zhì)和DNA的影響。
根據(jù)不同組成部分的反應(yīng)性，可以通過pH、溫度、庫侖相互作用、共價(jià)鍵、非共價(jià)相互作用或聚合來誘實(shí)現(xiàn)凝膠化。
一、PEG大分子單體
為了形成水凝膠，PEG必須發(fā)生交聯(lián)反應(yīng)?，F(xiàn)在PEG水凝膠的形成通常是通過共價(jià)交聯(lián)具有反應(yīng)鏈端的PEG高分子合成的。
圖1：聚乙二醇球狀模型
具有活性反應(yīng)末端的PEG高分子聚合物，如丙烯酸酯、烯丙醚、馬來酰亞胺等（圖2）很容易通過直接購得的試劑合成。
圖2：不同PEG大分子的末端基團(tuán)
二、水凝膠形成機(jī)理
形成水凝膠的交聯(lián)機(jī)制取決于PEG高分子鏈末端的特性，通常采用的是自由基引發(fā)劑與反應(yīng)性乙烯基鏈末端聚合的同時(shí)發(fā)生交聯(lián)。例如，大分子單體的聚合可以使用通過氧化還原反應(yīng)生成的自由基（比如過硫酸銨和TEMED）或光照產(chǎn)生的自由基（圖3，λ=365 nM）來引發(fā)，隨后通過丙烯酸酯和甲基丙烯酸酯鏈末端基元反應(yīng)來發(fā)生鏈增長(zhǎng)。
圖3：鏈?zhǔn)皆鲩L(zhǎng)和階梯式增長(zhǎng)反應(yīng)
混合模式聚合是在同一反應(yīng)容器中發(fā)生的兩種機(jī)制的結(jié)果；丙烯酸酯和甲基丙烯酸酯基團(tuán)可以形成混合模式網(wǎng)絡(luò)。兩種水凝膠形成機(jī)制均可用于包裹活體細(xì)胞，并且兩種機(jī)制均可使肽、蛋白質(zhì)或其他治療藥物發(fā)生反應(yīng)性摻入。
三、水凝膠的降解
為了使用3D水凝膠支架來研究細(xì)胞分化和組織進(jìn)化，通過空間和時(shí)間調(diào)控的方式來設(shè)計(jì)凝膠的物理和化學(xué)性質(zhì)是至關(guān)重要的。
聚合物材料性質(zhì)通常借由聚合/交聯(lián)（鍵形成）或借由受控降解及/或釋放（鍵斷裂）來改變。鍵的形成通常會(huì)用到小分子試劑（引發(fā)劑、催化劑，單體、連接到材料的配體），而鍵斷裂則通常不依賴于外源試劑。小分子在體外和體內(nèi)均具有比聚合物試劑更多的副反應(yīng)，因此許多研究小組用降解作為原位操作聚合物生物材料的工具。
圖4：降解后的水凝膠示意圖
水解降解
水凝膠中最常用的降解機(jī)理就是水解，即一個(gè)水分子加入到聚合物骨架中，導(dǎo)致鏈斷裂。酸酐、酯和酰胺都很容易水解，氫化物通常水解得太快，而酰胺類的若未經(jīng)過催化則水解太慢，因此大多數(shù)水凝膠的水解降解都是利用酯鍵。為了獲得具有生理相關(guān)時(shí)間維度上的可降解水凝膠，研究人員通常使用交酯或乙醛交酯段將具有可降解酯鍵的PEG功能化（圖5）。
圖5：聚乙二醇乙交酯和聚乙二醇丙交酯的合成
酶促降解
雖然酯鍵是可通過酶降解的，但大多數(shù)研究人員都會(huì)使用具有特異性序列的酶降解摻入水凝膠中的肽，而不是非特異性的酶降解酯和酰胺。
Hubbell團(tuán)隊(duì)率先通過Michael加成反應(yīng)把丙烯酸酯、馬來酰亞胺和乙烯基砜官能化的半胱氨酸肽，將基質(zhì)金屬蛋白酶（MMP）具有反應(yīng)敏感型的連接鍵引入水凝膠（圖6）。
圖6：通過Michael加成將含有半胱氨酸的肽添加到含乙烯基砜基團(tuán)的酶中制備可降解型水凝膠
在水解和酶解過程中，降解速率由大分子的化學(xué)性質(zhì)決定。在水解中，材料的降解率是通過其本身的性質(zhì)（如疏水性或親水性）和可水解基團(tuán)的數(shù)量預(yù)先設(shè)計(jì)的，并且一旦材料被制造出來，就不能改變。在酶解過程中，降解通常發(fā)生在產(chǎn)生酶的細(xì)胞局部區(qū)域。水解和酶解均是緩釋治療藥物的有效方法，但水凝膠制備后無法調(diào)節(jié)或阻滯其釋放速率，且釋放不受空間限制。
光致降解
與水解和酶降解相比，光降解允許更加精準(zhǔn)的空間和時(shí)間控制降解和釋放。雖然已有許多研究者報(bào)道了光聚合水凝膠和光功能化水凝膠，但關(guān)于生物相容性光降解水凝膠的報(bào)道很少。Kloxin和Kasko發(fā)表了由含PEG高分子形成的光可降解水凝膠網(wǎng)絡(luò)（圖7）；鄰-硝基芐基（o-NB）連接基團(tuán)的光降解行為具有良好的表現(xiàn)。
圖7：光降解o-NB摻雜的水凝膠骨架用于釋放治療藥劑
生物材料的單光子光刻的典型波長(zhǎng)范圍從長(zhǎng)波UV（≥365 nm）到可見光區(qū)域，而雙光子光刻則使用紅外光（通常~ 740-800 nm）較多。紅外光具有更好的生物相容性，對(duì)活體組織的破壞性更小，并能夠有更大的穿透深度。發(fā)生雙光子吸收的區(qū)域也被嚴(yán)格限制在了光的焦點(diǎn)上，而不是沿著光的整個(gè)路徑，提供了對(duì)激發(fā)3D控制的新思路。
單光子和多光子反應(yīng)都有能力制備出特征點(diǎn)小于500 nm的材料，遠(yuǎn)小于哺乳動(dòng)物細(xì)胞的大小。這代表了對(duì)水凝膠支架結(jié)構(gòu)和化學(xué)的空間控制水平達(dá)到了前所未有的高度。
四、小結(jié)
聚乙二醇是一種易制備、易改性的聚合物。它被廣泛應(yīng)用于水凝膠制造，包括作為組織培養(yǎng)的2D和3D支架。
聚乙二醇水凝膠易于引入可降解鍵——水解可降解凝膠允許持續(xù)的材料降解和/或治療劑釋放；酶降解凝膠的降解和釋放是由細(xì)胞決定的；光致降解允許使用者對(duì)水凝膠的理化性質(zhì)進(jìn)行實(shí)時(shí)定制的外部操作。
圖8：水凝膠
五、阿拉丁相關(guān)產(chǎn)品
產(chǎn)品貨號(hào) | 產(chǎn)品名稱 | 包裝規(guī)格 |
P103730 | 100g 250g 500g 1kg 5kg | |
P109710 | 25mL 100mL 500mL 2.5L | |
P109711 | 100mL 500mL 2.5L | |
P133766 | 50mL 250mL 1L 2.5L | |
M130065 | 100g 250g 500g 1kg | |
P274350 | 500g 1kg 2.5kg | |
P303204 | 25g 100g 500g 2.5kg | |
M109437 | 250mg 500mg 1g 5g 25g | |
A163261 | 100mg 1g 5g | |
T164391 | 200mg 1g 5g |
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