大家好!今天来了解一篇动态水凝胶研究——《Synthetic, multi-dynamic hydrogels by uniting stress-stiffening and supramolecular polymers》发表于《SCIENCE ADVANCES》。我们都知道,生物体内的聚合物动态过程对其功能实现至关重要,可当前合成系统大多只能捕捉单一动态过程。现在,将应力刚化聚合物与超分子聚合物相结合,试图创造多动态水凝胶。那他们成功了吗?这种水凝胶又有怎样独特的性能?让我们一同走进这项研究去寻找答案吧!
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一、研究背景
(一)生物体系中聚合物的动态过程
在自然界中,生物聚合物的动态过程对生物功能的实现至关重要。以细胞内的纤维结构为例,动态微管纤维受到肌动蛋白和中间纤维的保护,从而能够适应更高的压缩力。在细胞外,透明质酸与胶原纤维相互作用,透明质酸的动态特性增强并对刚性的胶原纤维产生应力,促使线性刚度增加,提高了网络抵抗破裂的能力(最大应力σ
max
增加)。这些动态过程涵盖了分子动力学(如单体交换)、应力松弛以及应力刚化等多个方面,且在不同生物聚合物间相互作用,共同维持生物体内的正常生理功能。然而,一旦这些动态过程失调,就可能引发如阿尔茨海默病等疾病。
(二)合成水凝胶的现状与挑战
目前,合成水凝胶在模拟生物网络方面存在一定的局限性。单组分水凝胶虽然能够展现出多模式的松弛动力学,但这些动态过程无法独立调节。例如,一些合成水凝胶中的动态过程如肽两亲物中的快速分子动力学、纤维蛋白中的应力刚化事件以及胶原蛋白中的应力松弛等,各自独立存在,难以进行针对性的调控。与之相比,合成超分子聚合物由于在不同长度尺度上具有内在动力学,成为一种有潜力的仿生水凝胶材料,但现有的合成系统大多只能捕捉单一的动态过程。不过,双组分网络的研究为创造更复杂、功能更接近生命体系的材料带来了新的机遇,使得在单一水凝胶中整合多种期望的特性成为可能。
二、实验设计
(一)材料组合策略
本研究选取合成的共价应力刚化聚合物聚异氰化物(PIC),并将其与两种不同的超分子单体相结合。其中,脲基嘧啶酮(UPy)单体能够形成特定结构的纤维,其在1小时内的单体交换率为10%,应力松弛半衰期(τ
1/2
)超过1000秒;苯三甲酰胺(BTA)单体则可形成双螺旋纤维,1小时内单体交换率达到35%,τ
1/2
约为200秒。通过将PIC分别与UPy和BTA进行组合,构建了双组分网络,进一步探索三者组合形成的三组分网络,旨在深入研究不同组合方式对水凝胶性能的影响。
(二)实验技术手段
为全面深入地研究水凝胶的特性,研究团队运用了多种先进的实验技术。荧光显微镜技术用于观察水凝胶网络的微观结构,清晰地展示了PIC与UPy形成的重叠网络(Pearson相关系数r=0.77)以及PIC与BTA形成的相分离网络(r=-0.51),并能直观地看到BTA位于PIC的孔隙中。流变学测量在探究水凝胶力学性能方面发挥了关键作用,通过该技术可以精确获取线性剪切模量G’和非线性应力刚化行为等重要参数,为理解水凝胶在受力状态下的力学响应提供了有力的数据支持。荧光恢复实验(FRAP)则专注于检测网络的动态特性,通过对荧光标记分子的观察,能够实时追踪分子在网络中的运动和交换情况,从而揭示网络的动态变化过程。此外,细胞培养实验结合牵引力显微镜(TFM)技术,从细胞层面深入研究细胞与水凝胶之间的相互作用,通过观察细胞在水凝胶上的生长、形态变化以及对水凝胶的牵引力作用,全面评估水凝胶的生物相容性和功能性。
三、实验结果
(一)网络结构的显著差异
1、结构形态对比
实验发现,PIC+UPy组合形成的网络呈现出明显的重叠结构,而PIC+BTA组合则形成相分离结构,BTA位于PIC的孔隙之中。从孔隙尺寸来看,PIC+UPy网络的孔隙大小(2.0μm)约为PIC+BTA网络孔隙(1.2μm)的两倍,这一差异表明两种组合方式在网络结构上存在本质区别。
2、模拟与实验的相互印证
这些实验观察结果得到了粗粒化(CG)分子动力学模拟的有力支持。模拟结果与实验数据高度吻合,进一步证实了PIC+UPy网络的强相互作用和重叠结构,以及PIC+BTA网络的弱相互作用和相分离结构。在模拟中,通过调整模型参数,可以清晰地看到网络结构的形成过程和相互作用方式,为实验结果提供了微观层面的理论解释。
(二)力学性能的变化规律
1、双组分网络的特性
在双组分网络中,PIC+UPy组合展现出独特的力学性能变化。其剪切模量G’从单一组分的20Pa显著增加到250Pa(提升约10倍),应力刚化起始应力(σ
c
)升高,应力刚化指数(m)降低。通过改变UPy的浓度(c=0.08到0.48w/v%),发现剪切模量能够在一个数量级内进行有效调节(G’=100到1000Pa)。而PIC+BTA网络虽然在剪切模量上没有增加,但在最大网络强度(σ
max
)方面表现出显著的协同增强效应。该双组分凝胶在破裂前能够承受几乎两倍于单一组分的应力,且微分剪切模量K’可达到其初始值的500倍之多。并且,σ
max
能够通过改变BTA的浓度(c=0.1到0.6w/v%)在80到160Pa之间进行灵活调节。
2、三组分网络的协同性能
三组分的PIC+UPy+BTA网络整合了多种协同性能,其线性刚度明显增加(G’=200Pa,主要归因于UPy的作用),同时由于最大应力的提升(σ
max
=170Pa,得益于BTA的贡献),应力刚化范围得到有效扩展。此外,该三组分网络的应力松弛行为与PIC凝胶相似(τ
1/2
≈100秒),这种独特的性能组合仅在特定的三种聚合物组合中出现,体现了各组分之间的协同作用和相互影响。
(三)动态特性的表现差异
1、单组分与双组分网络的动态性
在单组分网络中,BTA组装体的分子动力学明显比UPy更快,在凝胶水平上也表现出更强的动态性。通过FRAP实验在50μm长度尺度上的检测结果显示,BTA的荧光恢复率为30%,而UPy仅为10%。
在双组分系统中,PIC+BTA网络继承了BTA的快速动态特性,无论是在局部长度尺度(通过FRAP测量)还是整体(通过应力松弛测量,τ
1/2
=400秒,而PIC+UPy的τ
1/2
>1000秒),都展现出比PIC+UPy网络更强的动态性能。
2、动态特性对网络功能的影响
这种动态特性的差异对网络的功能产生了重要影响。例如,在细胞培养实验中,网络的动态性与细胞的行为密切相关。细胞在动态性较低的PIC+UPy(+cRGD)凝胶中能够更好地粘附、伸展和变形网络,而在动态性较强的PIC+BTA(+cRGD)凝胶中则呈现出圆形形态,对网络的影响较小。这表明网络的动态特性在细胞-材料相互作用中起着关键的调节作用。
(四)细胞响应的实验观察
1、细胞在双组分网络中的行为
细胞在PIC+UPy(+cRGD)凝胶中展现出积极的响应行为,能够有效地粘附并形成长而细长的形态,平均位移达到3.9μm。这表明细胞在该凝胶环境中能够产生足够的牵引力,与凝胶网络形成良好的相互作用。相反,在PIC+BTA(+cRGD)凝胶中,细胞呈现出圆形形态,对网络的位移较小(2μm),这说明细胞在该凝胶中的铺展能力受到限制。