水凝胶具有良好的力学和运输细胞功能，已被广泛作为在软组织中运送细胞的载体。目前的水凝胶体系，通常通过反应官能团的共价交联形成稳定的网络而成胶。目前，随着水凝胶应用场景的不断拓展以及水凝胶研究的不断深入，研究者们开发除了具有共价适应性网络（
CAN
）的共价适应性交联水凝胶，可以用于多种生物学应用场景。
CAN
之间形成的可逆交联，使得水凝胶网络结构能够在收到诸如热、
pH
等刺激时改变其网络结构结构产生适应性从而赋予水凝胶作为生物墨水时的可注射性。然而常规的
CAN
水凝胶存在力学性能差、降解速度快等不足，限制了其在生物学领域中的应用。
基于此，来自美国科罗拉多大学博尔德分校的
Kristi S.
Anseth
教授团队，通过苯甲醛
– PEG
3
–
叠氮化物对肼基透明质酸（
HA-Hyd
）进行叠氮化，从而通过叠氮
-
炔环加成
(SPAAC)
与醛基透明质酸（
HA-Ald
）形成稳定的三唑键，从而增强先前的
HA-Hyd
与
HA-Ald
水凝胶体系稳定性。进一步的，通过加入甲基聚（乙二醇）
4-
酰肼（
m-PEG
4
-Hyd
）减慢水凝胶中三唑网络形成的时间，降低打印过程中的挤出力，从而可以有效保护挤出过程中间充质干细胞（
rMSC
）的活力与生物学功能。（图
1
）。
结果显示，随着水凝胶体系中三唑键数量的增加，在
14 d
内，水凝胶体释放的透明质酸含量逐渐降低，说明三唑键的增加赋予了水凝胶更加稳定的交联网络结构，可以减少水凝胶的溶胀与降解（图
2A
，
B
）。进一步的，通过流变学检测，研究者发现三唑键数量的增加对水凝胶的储存模量没有显著的变化，但会降低水凝胶的损耗模量，影响水凝胶的粘弹性性能，可能会影响水凝胶的可注射性（图
2C
，
D
）。
然后，为了研究三唑键的数量对水凝胶交联过程的影响，研究者进行了流变学检测。结果表明，三唑键数量的升高，可以显著升高水凝胶的成胶时间（图
3A-C
），但对水凝胶的溶胀以及力学强度没有显著的影响。此外，
3D
打印测试也发现即使三唑键的比例升高到了
12%
，水凝胶仍展现出良好的可打印性能（图
3D-F
）。
进一步的，研究者发现在水凝胶体系中添加
m-PEG
4
-Hyd
后，可以减少水凝胶打印过程中的挤出力。正如流变学结果显示，
m-PEG
4
-Hyd
的加入，水凝胶的存储模量
G’
显著减低，损耗系数（
tan
δ）却有所升高，从而提高了水凝胶的可注射性，并有效减少水凝胶打印过程中对细胞的挤压力。但水凝胶的力学强度会随着
m-PEG
4
-Hyd
含量的增加而逐渐降低，可能会影响其打印性能（图
4A-C
）。因此，研究者探索了不同比例
m-PEG
4
-Hyd
与预交联时间对于水凝胶打印过程的影响。结果显示，当加入
1 mM
的
m-PEG
4
-Hyd
时，预交联
10 min
可以让水凝胶体系达到可注射性与打印性之间的平衡，从而实现可挤出、高保真的
3D
打印效果（图
4D
）。综上所述，单功能小分子
m-PEG
4
-Hyd
的加入可以减慢水凝胶的成胶速率，提高其可注射性，降低打印时对细胞的挤压力。
相关的生物学实验结果也证实了这一点，
m-PEG
4
-Hyd
的添加可以有效减少打印过程中细胞的死亡比例（图
5A-C
）。此外，挤压力的降低可以维持
MSC
中
VEGF
的释放，有助于组织修复早期的血管化（图
5D
，
E
）。
综上所述，研究者利用叠氮化的
HA-Hyd
改进了原有的
HA-Hyd
、
HA-Ald
动态水凝胶体系，并通过进一步添加
m-PEG
4
-Hyd
可以调整水凝胶的交联速率，从而提高其可打印性并减少打印过程中对细胞的挤压力，有助于减少水凝胶递送过程中细胞的死亡与对生物学功能的损伤。
该研究由美国科罗拉多大学博尔德分校的
Kristi S. Anseth
教授团队完成，
2
并于
2024
年
5
月
26
日在线发表于
Advanced Healthcare Materials
。
文献信息：
Matthew W. Jaeschke, Alexandra N. Borelli, Nathaniel P. Skillin,
Timothy J. White, and Kristi S. Anseth*. Engineering a Hydrazone and Triazole
Crosslinked Hydrogel for Extrusion-Based Printing and Cell Delivery. Adv.
Healthc. Mater. 2024, 2400062.
