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降解過程不變形的“零滲透壓”凝膠

2020-12-02 18:35:00


降解過程不變形的“零滲透壓”凝膠
       如果你曾經(jīng)學(xué)習(xí)過高分子科學(xué)的相關(guān)課程,那么,你一定和我一樣上過一門令人頭痛的專業(yè)課:高分子物理。鏈構(gòu)象、相分離、自由體積、Flory-Huggins參數(shù),光是這些名詞就足以一臉茫然。盡管如此,來自東京大學(xué)Hiroyuki Kamata博士Takamasa Sakai教授等人,卻用這些基本的高分子物理學(xué)概念,為我們上了一節(jié)有趣的髙物課。最近,他們在《德國應(yīng)用化學(xué)》雜志上發(fā)表了一篇題為“Non-Osmotic Hydrogels: A Rational Strategy for Safely Degradable Hydrogels”的研究論文,巧妙的將高分子溶液的基本概念應(yīng)用到了可降解生物凝膠的制備中Angew. Chem. Int. Ed.2016, DOI: 10.1002/anie.201602610)。
 
       可降解凝膠在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域有著重要的應(yīng)用前景,它們可以被用于組織修復(fù)、藥物緩釋等諸多領(lǐng)域。然而,傳統(tǒng)的可降解水凝膠面臨著一個嚴(yán)重的問題在降解的過程中會發(fā)生溶脹,導(dǎo)致凝膠膨脹變形。這種變形可能會壓迫周圍的神經(jīng)、組織,帶來嚴(yán)重的副作用。因此,制備在降解過程中不發(fā)生明顯形變的凝膠對于該類材料的應(yīng)用具有重要意義。要解決這個問題,我們首先要了解凝膠降解過程中為什么會發(fā)生膨脹。
 
        一般來說,組成凝膠的聚合物往往具有良好的水溶性,因此,如果將沒有交聯(lián)的聚合物放入水中,他們會發(fā)生溶解、擴(kuò)散,最終形成均勻的聚合物溶液。而凝膠,就是利用物理或化學(xué)作用,將這些聚合物鏈“栓”在一起,形成一個網(wǎng)絡(luò),“強(qiáng)迫”聚合物鏈不發(fā)生擴(kuò)散。由于凝膠內(nèi)部的聚合物鏈“濃度”較大,其滲透壓(摩爾濃度滲透壓,摩爾滲透壓)遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于周圍的溶液,因此當(dāng)把一塊凝膠放入水中的時候,水分子在滲透壓(摩爾濃度滲透壓,摩爾滲透壓)差的驅(qū)動下擴(kuò)散進(jìn)凝膠內(nèi)部(也可以理解為聚合物鏈“想要”擴(kuò)散到水中),這一過程被稱作“溶脹”。另一方面,由于聚合物鏈被連接成網(wǎng)絡(luò)以防彼此“失散”,凝膠中的聚合物鏈往往比自由溶解的聚合物鏈拉伸程度更高,分子鏈“彈性”導(dǎo)致的壓力與滲透壓(摩爾濃度滲透壓,摩爾滲透壓)相平衡,達(dá)到凝膠的平衡溶脹狀態(tài)。而降解過程中,用來束縛凝膠溶脹的聚合物鏈被剪斷,導(dǎo)致凝膠體積增大以達(dá)到新的平衡。
       
       那么,有沒有什么辦法讓凝膠在交聯(lián)態(tài)與降解態(tài)時分子鏈的拉伸程度差不多,也就是平衡態(tài)時凝膠內(nèi)部的滲透壓(摩爾濃度滲透壓,摩爾滲透壓)為零呢?教科書告訴我們,當(dāng)Flory-Huggins參數(shù)χ(注:Flory-Huggins參數(shù)是用來反映聚合物與溶劑分子間相互作用的重要參數(shù))為0.5時,高分子處于θ態(tài),此時高分子鏈處于理想狀態(tài);而當(dāng)χ<0.5時,高分子鏈發(fā)生伸展(對應(yīng)狀態(tài)為溶脹、擴(kuò)散),當(dāng)χ>0.5時,高分子鏈發(fā)生坍縮(對應(yīng)狀態(tài)為收縮、沉淀)。如果能夠調(diào)控聚合物的相互作用參數(shù),使其形成凝膠時的狀態(tài)恰好處在伸展與收縮之間,那么,就有可能得到滲透壓(摩爾濃度滲透壓,摩爾滲透壓)為零的凝膠材料。
       
       知道了原理,Kamata等人選擇N,N-二甲基丙烯酰胺與N-特丁基丙烯酰胺分別作為親水和疏水單體,通過控制兩者的聚合比有效調(diào)控共聚物與水的相互作用參數(shù)。通過計算表明,χ=0.5并不是聚合物鏈膨脹與坍縮的邊界,即使在0.5<χ<0.53范圍內(nèi)凝膠依然有溶脹的傾向。因此,他們制備了相互作用參數(shù)χ接近0.53的凝膠材料,在降解過程中,該凝膠材料的溶脹比Q接近1,遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于一般材料的溶脹比(Q>8),凝膠僅在初始階段有一定程度的輕微溶脹,其對生物組織造成的壓迫在可容忍的范圍內(nèi)。當(dāng)然,他們也通過細(xì)胞實驗證實了該材料具有很好的細(xì)胞相容性,符合組織工程的要求。

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