上海交大張洪斌Macromolecules：冷凍-解凍誘導的透明質酸凝膠化：與分子間相互作用及分子構象相關的冷凍結構化物理過程

【引言】

透明質酸（HA）是脊椎動物體內普遍存在的最重要的糖胺聚糖，由包含(1→4)-β-D-葡萄糖醛酸和(1→3)-β-D-N-乙酰葡萄糖胺重復二糖單元構成的直鏈大分子，在細胞信號傳導、創傷修復、形態建成、基質構造等多種生物過程中發揮著重要作用。近年來，科學家們通過采用HA修飾不同的納米材料如金、銀、磁性納米顆粒、碳材料和介孔材料等，實現了它們在特定細胞與組織中的良好分布。這些HA功能納米材料在生物技術及生物醫藥領域具有廣闊應用：可作為納米載體參與藥物運輸、作為造影劑參與分子成像，亦可作為診斷劑參與癌癥治療，等等。除上述重要生理功能外，HA水溶液的粘彈性也十分重要。鑒于HA具有良好的生物相容性、可生物降解性和非免疫原性，HA是構筑具有特定形態、剛度和生物活性水凝膠的優良備選材料，在關節炎治療、術后粘連預防、傷口敷料、支架材料、藥物傳輸、組織修復與再生等領域均具有巨大應用價值。
迄今，大多數HA基的水凝膠通過化學交聯的方法進行制備。然而，在這種制備方法中，交聯劑和有機溶劑的使用以及終產物含反應副產物的情況難以避免，這些問題很可能對HA的生物相容性造成不利影響，從而影響HA在生物醫藥領域中的短期及長期應用。

利用氫鍵作用、疏水作用及離子相互作用等非共價作用能有效構筑物理交聯的水凝膠，從而在一定程度上解決化學法制備的水凝膠存在的問題。盡管HA是公認的非凝膠多糖，但可通過冷凍-解凍方法在pH較低的條件下制備HA的物理凝膠。Okamoto和Miyoshi首先采用了該方法。這種非共價冷凍結構化過程具有制備條件溫和、無需采用有機溶劑和有毒交聯劑的優點。

HA冷凍-解凍物理凝膠形成的一般機制為：水溶液冷凍凝固時發生相分離，使得大分子高濃度富集相中分子鏈被強制排列，進而形成并行聯結結構而形成交聯區，該交聯結構在解凍過程仍能保持。然而HA冷凍凝膠網絡結構中的連接方式與一些關鍵影響因素（如分子尺寸、加工步驟、分子構象等）對凝膠化的作用一直以來不清晰，HA分子中羥基、羧基和乙酰氨基對凝膠網絡結構形成的貢獻有待闡明。

【成果簡介】

近日，上海交通大學張洪斌研究員（通訊作者）等人通過冷凍-解凍方法在低pH條件下制備了HA物理交聯水凝膠，并對加工過程（包括冷凍時長、冷凍-解凍過程的循環次數等）、HA的分子量、多羧基及多羥基小分子的加入等因素對HA冷凍水凝膠形成的影響進行了探究，揭示了酸性和中性凝膠網絡的詳細結構。該工作以“Freeze-Thaw-Induced Gelation of Hyaluronan: Physical Cryostructuration Correlated with Intermolecular Associations and Molecular Conformation”為題于2017年7月28日發表在期刊Macromolecules上。

【圖文導讀】

圖1：HA冷凍-解凍物理凝膠網絡結構中分子間相互作用模型。

（A）酸性冷凍凝膠分子間鍵合情況；

（B）中性冷凍凝膠分子間鍵合情況；

（C）加入二元羧酸的酸性冷凍凝膠分子間鍵合情況。

圖2：HA冷凍凝膠制備過程中HA分子鏈不同形態示意圖

溶液中的天然HA表現為“剛性”無規卷曲。Martens等提出多重螺旋鏈段和扁平鏈段兩種鏈段與不同構象共存。酸化后，通過排出HA中的羧基對分子間和分子內靜電排斥進行篩選，發現HA鏈處于扁平鏈構象并發生纏結。在冷凍凝膠制備過程的冷凍步驟中，分子鏈中的許多螺旋構象部分通過與高濃度未凝固相中的其他分子鏈相關聯、轉變為扁平鏈構象。

【小結】

本文中，研究人員為進一步了解HA凝膠化過程的機制、控制HA冷凍凝膠物化性質，對冷凍時長、冷凍-解凍循環的次數、HA分子尺寸、多羧基或多羥基小分子的加入等因素對冷凍凝膠化及HA最終性能的影響進行了研究，并提出一種新的HA冷凍凝膠的凝膠機制及分子間相互作用模式。
HA冷凍凝膠化過程是一個物理低溫結構化過程。本研究表明，冷凍凝膠的物化性質受冷凍時長、冷凍-解凍循環次數、HA的分子量及加入的小分子（如二元羧酸和多元醇）的影響。冷凍時間長、冷凍-解凍循環次數多、HA分子量高、二元羧酸（如琥珀酸或戊二酸）的加入使冷凍凝膠的機械強度得到提高，而多元醇（如乙二醇、丁二醇或甘油）的加入則抑制了凝膠化過程的進行。物理交聯的存在使冷凍凝膠具有一定的熱穩定性、耐酸解和酶解能力，這些都是生物材料的重要性質。此外，本研究還發現：-COOH間的氫鍵作用提高了HA酸性冷凍凝膠網絡分子間相互作用的穩定性，而-COO-與-NHCOCH3基團間的氫鍵作用則有效提高了中性冷凍凝膠網絡的穩定性；然而，羥基對酸性和中性冷凍凝膠中的凝膠網絡中的氫鍵形成均無顯著貢獻。

文獻鏈接：Freeze?Thaw-Induced Gelation of Hyaluronan: Physical Cryostructuration Correlated with Intermolecular Associations and Molecular Conformation
（Macromolecules, 2017, DOI:10.1021/acs.macromol.7b01264）

【課題組介紹】

近年來，張洪斌課題組在多糖特別是透明質酸研究中發表了一系列文章，內容涉及透明質酸分子表征、溶液和凝膠流變學、粘彈性、藥物載體、納米雜化材料、復合凝膠以及在醫藥和食品領域的應用。相關論文如下：

[1] Z. X. Cai, H. B. Zhang, Y. Wei, F. S. Cong, Biomacromolecules 2017, 18, 1677.

[2] Z. X. Cai, H. B. Zhang, Y. Wei, Y. Y. Wei, Y. N. Xie, F. S. Cong, Biomacromolecules 2017, 18, 2102.

[3] F. Zhang, T. Luan, D. Kang, Q. W. Jin, H. B. Zhang, M. P. Yadav, Food Hydrocolloids 2015, 43, 218.

[4] F. Y. Yu, F. Zhang, T. Luan, Z. N. Zhang, H. B. Zhang, Polymer 2014, 55, 295.

[5] H. B. Zhang, F. Zhang, J. Wu, React. Funct. Polym. 2013, 73, 923.

[6] F. Zhang, J. Wu, D. Kang, H. B. Zhang, J. Biomat. Sci-Polym. E. 2013, 24, 1410.

[7] Zhang, X. J. Chen, R. A. Boulos, F. M. Yasin, H. B. Lu, C. L. Raston, H. B. Zhang, Chem. Commun. 2013, 49: 4845.

[8] F. Zhang, F. M. Yasin, X. J. Chen, J. X. Mo, C. L. Raston, H. B. Zhang, RSC Adv. 2013, 3, 25166.

[9] T. Luan, L. J. Wu, H. B. Zhang, Y. Wang, Carbohyd. Polym. 2012, 87, 2076.

[10] F. Zhang, J. Wu, H. B. Zhang, J. Solid State Elect. 2012, 16, 1683.

[11] T. Luan, Y. P. Fang, S. Assaf, G. O. Phillips, H. B. Zhang, Polymer 2011, 52, 5648.

本文由材料人編輯部高分子材料組arrinal_Ding供稿，材料牛編輯整理，點我加入材料人編輯部。

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