贺超良/陈学思院士：快速热可逆和可生物降解的多肽水凝胶

【摘要】

热可逆水凝胶是用于生物医学应用的有吸引力的材料，但它们的应用仍然受到不可生物降解性和/或缓慢的温度依赖性凝胶-溶胶转变速率的限制。最近，中国科学院长春应用化学研究所贺超良教授和陈学思院士团队制备了一系列由聚（乙二醇）（PEG）和聚（γ-（2-（2-乙氧基乙氧基）乙基）-l-谷氨酸盐组成的两亲性二嵌段、三嵌段和四臂星形嵌段共聚物) (P(EEO2LG)) 段，可以在生理温度下快速形成热可逆水凝胶。有趣的是，随着温度从 37°C 降低到 0°C，所获得的水凝胶可以在 10-70 秒内从凝胶转变为溶胶。

热敏溶胶-凝胶-溶胶转变明显快于先前报道的热可逆 PEG-聚（l-谷氨酸）衍生物水凝胶，侧基存在细微差异和广泛研究的聚（d，l-丙交酯-共-乙交酯）-b -PEG-b-聚（d，l-丙交酯-共-乙交酯）（PLGA-PEG-PLGA）水凝胶需要40~150分钟的更长的时间。进一步研究了水凝胶性能与聚合物结构之间的关系，并提出了不同共聚物的自组装机制。细胞毒性测定和皮下降解实验表明 PEG/P(EEO2LG) 嵌段共聚物具有生物相容性和生物降解性。因此，多肽水凝胶可作为三维平台，通过调节温度，方便细胞培养和收集。相关论文以题为Rapidly Thermoreversible and Biodegradable Polypeptide Hydrogels with Sol–Gel–Sol Transition Dependent on Subtle Manipulation of Side Groups发表在《Biomacromolecules》上。

【主图导读】

示意图 1. (a) PEG/P(EEO2LG) 水凝胶的温度相关可逆溶胶-凝胶-溶胶转变和 PEG/P(EEO2LG) 水凝胶的主要特征和 (b) 水凝胶形成的自组装机制 总聚合度为12∼16的二嵌段、三嵌段和四臂星形嵌段共聚物。

示意图 2. EEO2LG 单体、EEO2LG NCA 和 PEG/P(EEO2LG) 嵌段共聚物的合成。

图 2. PEG/P(EEO2LG) 嵌段共聚物的相图。

图 3. 6 wt% PEG/P(EEO2LG) 嵌段共聚物水溶液的流变评估。

图 4. 具有不同 (a) 聚合物形状、嵌段比和分子量的 PEG/P(EEO2LG) 共聚物之间的透射率比较。(b-d) 具有不同 (b) 聚合物形状、(c) 分子量和 (d) 浓度的 PEG/P(EEO2LG) 共聚物的可逆溶胶-凝胶-溶胶转变时间。

图 5. (a) P(EEO2LG)6-PEG2k-P(EEO2LG)6 共聚物在 D2O（3 wt%）中的温度相关 1H NMR 光谱。具有不同 (b) 聚合物形状和 (c) 嵌段比的共聚物的 CD 光谱。具有不同 (d) 聚合物形状和 (e) 嵌段比的共聚物的 FTIR 光谱。

图 7. (a) P(EEO2LG)6-PEG2k-P(EEO2LG)6, (b) P(MEO2LG)7-PEG2k-P(MEO2LG)7 的温度依赖性可逆溶胶-凝胶-溶胶转变图像，（c）PELG6-PEG2k-PELG6 和（d）PLGA-PEG-PLGA 水凝胶，用于单个温度依赖性溶胶-凝胶-溶胶循环。

【总结】

团队制备了一系列热可逆多肽水凝胶，并研究了其物理性质和在细胞培养中的应用。水凝胶的物理性质，包括相图、机械强度、二级结构、自组装和可逆转变行为，可以通过改变聚合物形状、分子量和嵌段比来控制。经发现约 1:1.5–1:2 的 PEG/P(EEO2LG) 嵌段比改善了凝胶行为，包括更低的 CGC、更宽的 GTR、更高的储能模量和更高的稳定性。此外，每个片段中 P(EEO2LG) 长度的增加导致更高的α-螺旋含量和更少的β-折叠。每个链段中的 P(EEO2LG) 嵌段长度和 PEG/P(EEO2LG) 嵌段比都会影响聚合物的二级结构和亲水-疏水平衡，因此决定了水凝胶的凝胶化行为和性能。PEG/P(EEO2LG) 嵌段共聚物水凝胶的温度依赖性溶胶-凝胶-溶胶转变比先前报道的 P(MEO2LG)-PEG-P(MEO2LG)、PELG-PEG 三种类型的热可逆水凝胶快得多-PELG 和 PLGA-PEG-PLGA，清楚地表明多肽片段侧基的细微变化对热可逆溶胶-凝胶-溶胶转变行为的有趣影响。由于制备的 PEG/P(EEO2LG) 水凝胶在温度变化的几秒钟内显示出快速且可逆的溶胶-凝胶-溶胶转变，并且可以在体内完全降解，因此它具有用于 3D 细胞培养支架的潜力。

参考文献：

doi.org/10.1021/acs.biomac.1c00583

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