Adv. Mater. 報道：利用螯合交聯構建生物可降解彈性體

【背景介紹】

彈性體是一種玻璃化轉變溫度（T_g）低于室溫、塑性變形能力較低的聚合物。具有彈性后坐力的彈性體對于維持天然組織（心臟、肺、血管等）的功能至關重要。共價鍵將無規則卷曲的聚合物連接到彈性蛋白等彈性體中，其中每一種聚合物有自己的化學性質，而該化學性質決定了特定鍵交聯成的網絡。因此，必須針對每種聚合物進行特定設計，并且所得的每種聚合物都要有一組特定性能。所以設計彈性體費力且限制了所得材料的多功能性。然而，螯合交聯鍵比共價鍵弱，但比傳統交聯中使用的化學鍵強，還具有通用性。利用該策略或將制備出具有不同機械性能和生物可降解的彈性體。

【成果簡介】

近日，美國康奈爾大學的王亞冬教授（共同通訊作者）等人報道了一種螯合交聯來制備可生物降解的彈性體。由癸二酸、1, 3-丙二醇和席夫堿（2-[[(2-（羥基苯基）亞甲基]氨基]-1, 3-丙二醇）的縮聚反應形成嵌段共聚物，該嵌段共聚物上具有幾種生物學上相關的金屬離子。其中，螯合交聯中一個配體可以結合多個金屬離子，進而產生不同強度的化學鍵，具有傳統彈性體中未有的優勢。因此，一種與不同金屬離子配位的聚合物配體可生產出具有極大不同特性的彈性體。在一種聚合物中混合不同的金屬離子，可以提供另一種程度上控制材料的性能，而嵌段共聚物中配體的密度進一步調節了機械性能。通過小鼠模型顯示，Fe³⁺交聯海綿與廣泛使用的聚己內酯相比，其皮下組織的相容性更高。在植入物降解后，植入部位恢復到其正常結構，幾乎沒有纖維化。基于螯合設計的多功能性已在水凝膠和高彈性不可降解聚合物中應用，該工作中的可生物降解彈性體將為生物醫學以及其他領域提供新材料和新機遇。研究成果以題為“Chelation Crosslinking of Biodegradable Elastomers”發布在著名期刊Adv. Mater.上。

【圖文解讀】

圖一、材料設計和聚合物表征

（A）2-[[(2-羥基苯基)-亞甲基]氨基]-1, 3-丙二醇（HPA）、聚（丙二醇HPA-癸二酸酯）（PAS）和M-PAS彈性體的合成；

（B）丙酮-d6中6-PAS（i）、9-PAS（ii）和14-PAS（iii）聚合物的PAS結構和¹H NMR（500 Hz）光譜；

（C）6-，9-和14-PAS的凝膠滲透色譜。

圖二、M-PAS的多功能性、可降解性和細胞相容性

（A）薄膜（i）、海綿（ii）和多孔管（iii）中的9-Cu-PAS；

（B）在基本解決方案中降解14-M-PAS；

（C）在EDTA溶液中6-M-PAS膜的照片（i）和降解（ii）；

（D）在14-Fe-PAS和PCL涂層上培養6 d后，HUVEC的細胞形態、活/死染色（i）和代謝活性（ii）。

圖三、配體/金屬比、配體密度和金屬離子類型控制M-PAS機械性能

（A）具有不同配體/金屬比率的9-Fe-PAS的紫外可見光譜（i）；

（B）x-Co-PAS的應力-應變曲線，x=6、9和14；

（C）具有不同金屬離子的14-M-PAS薄膜的應力-應變曲線；

（D）具有不同Mg²⁺/Ca²⁺比的14-Mg-Ca-PAS薄膜的應力-應變曲線；

（E）具有不同金屬離子的14-M-PAS薄膜的磁滯測試。

圖四、在小鼠皮下植入14-Fe-PAS海綿

（A）在植入4、14、28、56和84 d后，14-Fe-PAS和PCL海綿的總體外觀；

（B-C）H＆E和MTS染色的顯微照片，用于植入物的橫截面；

（D）植入物周圍組織中的粒細胞（i）、巨噬細胞（ii）、LC-PC炎癥（iii）和CT厚度（iv）；

（E）植入物中的粒細胞（i）；巨噬細胞（ii）；LC-PC炎癥（iii）和壞死（iv）。

【小結】

綜上所述，本文證明了金屬螯合鍵在交聯可生物降解彈性體中的多功能性。通過使用不同類型的金屬離子，在一種聚合物中調控不同的金屬離子、金屬與配體的比例以及聚合物中的配體密度，可以獲得優異的機械性能。彈性體的生物相容性與PCL的生物相容性相匹配，為彈性體的發展開辟了新途徑，可以改善軟組織的重建和再生。此外，在聚合物中引入金屬離子后使其具有新的生物功能，這些新發現有助于開發新材料特性和在多個領域的應用。

文獻鏈接：Chelation Crosslinking of Biodegradable Elastomers（Adv. Mater., 2020, DOI: 10.1002/adma.202003761）

本文由CQR編譯。

歡迎大家到材料人宣傳科技成果并對文獻進行深入解讀，投稿郵箱：tougao@cailiaoren.com.

投稿以及內容合作可加編輯微信：cailiaokefu.