水凝胶是长期以来受到人们关注最多的生物材料之一，它们在化学和物理性质上都非常接近细胞的自然环境，因此作为细胞的二维和三维支架被广泛研究^[1-2]。水凝胶可以由人工合成的聚合物（如聚（乙二醇）、聚（甲基丙烯酸羟乙酯）等）与天然存在的聚合物（如胶原蛋白、透明质酸等）交联形成，并且由于它们的含水量非常高，可以有效被应用于组织培养的3D模型，不受细胞、蛋白质和DNA的影响。根据不同组成部分的反应性，可以通过pH、温度、库仑相互作用、共价键、非共价相互作用或聚合来诱实现凝胶化^[3-5]。

 

 < PEG大分子单体 > 

 

通过环氧乙烷的活性阴离子开环聚合能够非常方便地合成聚乙二醇；这些聚乙二醇具有较宽的分子量分布，且包含多种端基，在众多反应中都可适配。为了形成水凝胶，PEG必须发生交联反应。最开始的时候，PEG是通过电离辐射进行非特异性交联的^[6]，而现在PEG水凝胶的形成通常是通过共价交联具有反应链端的PEG高分子合成的。具有活性反应末端的PEG高分子聚合物，如丙烯酸酯、甲基丙烯酸酯、烯丙醚、马来酰亚胺、乙烯基砜、NHS酯和乙烯基醚基团（图1）很容易通过直接购得的试剂合成^[7]。

 

图1：不同PEG大分子的末端基团

 

高分子的两个末端可以是两个相同或者不同的官能团。同双官能团高分子通常用于形成网络，而异双官能团高分子则可用于将具有治疗性的小分子连接到水凝胶网络中。

 

 < 水凝胶形成机理 > 

 

形成水凝胶的交联机制取决于PEG高分子链末端的特性。在大多数情况下，是与反应性乙烯基链末端聚合的同时发生交联，通常采用的是自由基引发剂。例如，大分子单体的聚合可以使用通过氧化还原反应生成的自由基（比如过硫酸铵和TEMED）或光照产生的自由基（图2，λ=365 nM）来引发，随后通过丙烯酸酯和甲基丙烯酸酯链末端基元反应来发生链增长。在阶梯生长网络的形成中，多官能度（f>2）的交联剂以化学当量与PEG链末端进行反应，或多官能度的PEG（f>2）也可以与双官能团的交联剂发生交联。丙烯酸酯、甲基丙烯酸酯、乙烯基砜、马来酰亚胺、乙烯基醚和烯丙基醚都可以根据反应条件转化为硫醇，形成阶梯生长网络。典型的交联剂有包含巯基或胺官能团的结构。混合模式聚合是在同一反应容器中发生的两种机制的结果；丙烯酸酯和甲基丙烯酸酯基团可以形成混合模式网络。两种水凝胶形成机制均可用于包裹活体细胞，并且两种机制均可使肽、蛋白质或其他治疗药物发生反应性掺入。

 

图2：链式增长和阶梯式增长反应

 

 < 水凝胶的降解 > 

 

为了使用3D水凝胶支架来研究细胞分化和组织进化，通过空间和时间调控的方式来设计凝胶的物理和化学性质是至关重要的^[8]。聚合物材料性质通常借由聚合/交联（键形成）或借由受控降解及/或释放（键断裂）来改变。键的形成通常会用到小分子试剂（引发剂、催化剂，单体、连接到材料的配体），而键断裂则通常不依赖于外源试剂。小分子在体外和体内均具有比聚合物试剂更多的副反应，因此许多研究小组用降解作为原位操作聚合物生物材料的工具。

 

 1.水解降解 

水凝胶中最常用的降解机理就是水解，即一个水分子加入到聚合物骨架中，导致链断裂。酸酐、酯和酰胺都很容易水解，氢化物通常水解得太快，而酰胺类的若未经过催化则水解太慢，因此大多数水凝胶的水解降解都是利用酯键。为了获得具有生理相关时间维度上的可降解水凝胶，研究人员通常使用交酯或乙醛交酯段将具有可降解酯键的PEG功能化（图3）^[9]。

 

图3：聚乙二醇乙交酯和聚乙二醇丙交酯的合成

 

 2.酶促降解 

虽然酯键是可通过酶降解的，但大多数研究人员都会使用具有特异性序列的酶降解掺入水凝胶中的肽，而不是非特异性的酶降解酯和酰胺。Hubbell团队^[10-11]率先通过Michael加成反应把丙烯酸酯、马来酰亚胺和乙烯基砜官能化的半胱氨酸肽，将基质金属蛋白酶（MMP）具有反应敏感型的连接键引入水凝胶（图4）。

 

图4：通过Michael加成将含有半胱氨酸的肽添加到含乙烯基砜基团的酶中制备可降解型水凝胶

 

MMP-可降解键也被用作联结治疗剂与水凝胶的载体。例如，血管内皮生长因子（VEG-F）等生长因子可通过酶降解MMP-敏感性链而释放，从而诱导血管生成^[12]。

 

在水解和酶解过程中，降解速率由大分子的化学性质决定。在水解中，材料的降解率是通过其本身的性质（如疏水性或亲水性）和可水解基团的数量预先设计的，并且一旦材料被制造出来，就不能改变。在酶解过程中，降解通常发生在产生酶的细胞局部区域。水解和酶解均是缓释治疗药物的有效方法，但水凝胶制备后无法调节或阻滞其释放速率，且释放不受空间限制。

 

 3.光致降解 

与水解和酶降解相比，光降解允许更加精准的空间和时间控制降解和释放。虽然已有许多研究者报道了光聚合水凝胶和光功能化水凝胶，但关于生物相容性光降解水凝胶的报道很少。Kloxin和Kasko发表了由含PEG高分子形成的光可降解水凝胶网络（图5）^[13]；邻-硝基苄基（o-NB）连接基团的光降解行为具有良好的表现。由光降解聚合物形成的水凝胶在光照下表现出体积降解，这与曝光时间、波长和光强度有关。当光线停止照射时，降解停止；在恢复光照后，上述样品继续光解。部分降解导致水凝胶的交联密度降低和溶胀程度增加，这提供了一种如何制备柔软性更高的水凝胶的方法。

 

图5：光降解o-NB掺杂的水凝胶骨架用于释放治疗药剂

 

除了单光子光解，含有o-NB的水凝胶也对双光子光解敏感，从而允许被用于3D蚀刻^[14-15]。在单光子反应中，任何暴露在光下的区域都会发生反应。相反，多光子光刻应该只发生在多个光子同时被吸收的地方，这发生在光源的焦体积。生物材料的单光子光刻的典型波长范围从长波UV（≥365 nm）到可见光区域，而双光子光刻则使用红外光（通常~ 740-800 nm）较多。红外光具有更好的生物相容性，对活体组织的破坏性更小，并能够有更大的穿透深度。发生双光子吸收的区域也被严格限制在了光的焦点上，而不是沿着光的整个路径，提供了对激发3D控制的新思路。单光子和多光子反应都有能力制备出特征点小于500 nm的材料，远小于哺乳动物细胞的大小^[16]。这代表了对水凝胶支架结构和化学的空间控制水平达到了前所未有的高度。

 

 < 小结 > 

 

聚乙二醇是一种易制备、易改性的聚合物。它被广泛应用于水凝胶制造，包括作为组织培养的2D和3D支架。聚乙二醇水凝胶易于引入可降解键——水解可降解凝胶允许持续的材料降解和/或治疗剂释放；酶降解凝胶的降解和释放是由细胞决定的；光致降解允许使用者对水凝胶的理化性质进行实时定制的外部操作。

 

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 < 参考文献 > 

1. Drury JL, Mooney DJ. 2003. Hydrogels for tissue engineering: scaffold design variables and applications.Biomaterials.24(24):4337-4351. http://dx.doi.org/10.1016/s0142-9612(03)00340-5

2. Lee KY, Mooney DJ. 2001. Hydrogels for Tissue Engineering.Chem. Rev..101(7):1869-1880. http://dx.doi.org/10.1021/cr000108x

3. HOFFMAN AS. Hydrogels for Biomedical Applications. 944(1):62-73. http://dx.doi.org/10.1111/j.1749-6632.2001.tb03823.x

4. Hoffman AS. 2002. Hydrogels for biomedical applications.Advanced Drug Delivery Reviews.54(1):3-12. http://dx.doi.org/10.1016/s0169-409x(01)00239-3

5. Tibbitt MW, Anseth KS. 2009. Hydrogels as extracellular matrix mimics for 3D cell culture.Biotechnol. Bioeng..103(4):655-663. http://dx.doi.org/10.1002/bit.22361

6. Ruel-Gariépy E, Leroux J. 2004. In situ-forming hydrogels?review of temperature-sensitive systems.European Journal of Pharmaceutics and Biopharmaceutics.58(2):409-426. http://dx.doi.org/10.1016/j.ejpb.2004.03.019

7. Yang Z, Xu B. 2007. Supramolecular hydrogels based on biofunctional nanofibers of self-assembled small molecules.J. Mater. Chem..17(23):2385. http://dx.doi.org/10.1039/b702493b

8. Zalipsky S, Harris JM. 1997. Introduction to Chemistry and Biological Applications of Poly(ethylene glycol).1-13. http://dx.doi.org/10.1021/bk-1997-0680.ch001

9. Davis FF. 2002. The origin of pegnology.Advanced Drug Delivery Reviews.54(4):457-458. http://dx.doi.org/10.1016/s0169-409x(02)00021-2

10. Sawhney AS, Pathak CP, Hubbell JA. 1993. Bioerodible hydrogels based on photopolymerized poly(ethylene glycol)-co-poly(.alpha.-hydroxy acid) diacrylate macromers.Macromolecules.26(4):581-587. http://dx.doi.org/10.1021/ma00056a005

11. Du YJ, Lemstra PJ, Nijenhuis AJ, Van Aert HAM, Bastiaansen C. 1995. ABA Type Copolymers of Lactide with Poly(ethylene glycol). Kinetic, Mechanistic, and Model Studies.Macromolecules.28(7):2124-2132. http://dx.doi.org/10.1021/ma00111a004

12. Kim H, Kim HW, Suh H. 2003. Sustained release of ascorbate-2-phosphate and dexamethasone from porous PLGA scaffolds for bone tissue engineering using mesenchymal stem cells.Biomaterials.24(25):4671-4679. http://dx.doi.org/10.1016/s0142-9612(03)00358-2

13. Benoit DS, Nuttelman CR, Collins SD, Anseth KS. 2006. Synthesis and characterization of a fluvastatin-releasing hydrogel delivery system to modulate hMSC differentiation and function for bone regeneration.Biomaterials.27(36):6102-6110. http://dx.doi.org/10.1016/j.biomaterials.2006.06.031

14. Lutolf MP, Hubbell JA. 2003. Synthesis and Physicochemical Characterization of End-Linked Poly(ethylene glycol)-co-peptide Hydrogels Formed by Michael-Type Addition.Biomacromolecules.4(3):713-722. http://dx.doi.org/10.1021/bm025744e

15. Lutolf MP, Lauer-Fields JL, Schmoekel HG, Metters AT, Weber FE, Fields GB, Hubbell JA. 2003. Synthetic matrix metalloproteinase-sensitive hydrogels for the conduction of tissue regeneration: Engineering cell-invasion characteristics.Proceedings of the National Academy of Sciences.100(9):5413-5418. http://dx.doi.org/10.1073/pnas.0737381100

16. Zisch AH, Lutolf MP, Ehrbar M, Raeber GP, Rizzi SC, Davies N, Schmökel H, Bezuidenhout D, Djonov V, Zilla P, et al. 2003. Cell-demanded release of VEGF from synthetic, biointeractive cell-ingrowth matrices for vascularized tissue growth.FASEB j..17(15):2260-2262. http://dx.doi.org/10.1096/fj.02-1041fje