降解过程不变形的“零渗透压”凝胶
时间：2021-11-04 阅读：43
如果你曾经学习过高分子科学的相关课程，那么，你一定和我一样上过一门令人头痛的专业课：高分子物理。链构象、相分离、自由体积、Flory-Huggins参数，光是这些名词就足以一脸茫然。尽管如此，来自东京大学的Hiroyuki Kamata博士和Takamasa Sakai教授等人，却用这些基本的高分子物理学概念，为我们上了一节有趣的髙物课。最近，他们在《德国应用化学》杂志上发表了一篇题为“Non-Osmotic Hydrogels: A Rational Strategy for Safely Degradable Hydrogels”的研究论文，巧妙的将高分子溶液的基本概念应用到了可降解生物凝胶的制备中（Angew. Chem. Int. Ed., 2016, DOI: 10.1002/anie.201602610）。
可降解凝胶在生物医学领域有着重要的应用前景，它们可以被用于组织修复、药物缓释等诸多领域。然而，传统的可降解水凝胶面临着一个严重的问题：在降解的过程中会发生溶胀，导致凝胶膨胀变形。这种变形可能会压迫周围的神经、组织，带来严重的副作用。因此，制备在降解过程中不发生明显形变的凝胶对于该类材料的应用具有重要意义。要解决这个问题，我们首先要了解凝胶降解过程中为什么会发生膨胀。
一般来说，组成凝胶的聚合物往往具有良好的水溶性，因此，如果将没有交联的聚合物放入水中，他们会发生溶解、扩散，最终形成均匀的聚合物溶液。而凝胶，就是利用物理或化学作用，将这些聚合物链“栓”在一起，形成一个网络，“强迫”聚合物链不发生扩散。由于凝胶内部的聚合物链“浓度”较大，其渗透压远远高于周围的溶液，因此当把一块凝胶放入水中的时候，水分子在渗透压差的驱动下扩散进凝胶内部（也可以理解为聚合物链“想要”扩散到水中），这一过程被称作“溶胀”。另一方面，由于聚合物链被连接成网络以防彼此“失散”，凝胶中的聚合物链往往比自由溶解的聚合物链拉伸程度更高，分子链“弹性”导致的压力与渗透压相平衡，达到凝胶的平衡溶胀状态。而降解过程中，用来束缚凝胶溶胀的聚合物链被剪断，导致凝胶体积增大以达到新的平衡。
那么，有没有什么办法让凝胶在交联态与降解态时分子链的拉伸程度差不多，也就是平衡态时凝胶内部的渗透压为零呢？教科书告诉我们，当Flory-Huggins参数χ（注：Flory-Huggins参数是用来反映聚合物与溶剂分子间相互作用的重要参数）为0.5时，高分子处于θ态，此时高分子链处于理想状态；而当χ<0.5时，高分子链发生伸展（对应状态为溶胀、扩散），当χ>0.5时，高分子链发生坍缩（对应状态为收缩、沉淀）。如果能够调控聚合物的相互作用参数，使其形成凝胶时的状态恰好处在伸展与收缩之间，那么，就有可能得到渗透压为零的凝胶材料。
知道了原理，Kamata等人选择N,N-二甲基丙烯酰胺与N-特丁基丙烯酰胺分别作为亲水和疏水单体，通过控制两者的聚合比有效调控共聚物与水的相互作用参数。通过计算表明，χ=0.5并不是聚合物链膨胀与坍缩的边界，即使在0.5<χ<0.53范围内凝胶依然有溶胀的倾向。因此，他们制备了相互作用参数χ接近0.53的凝胶材料，在降解过程中，该凝胶材料的溶胀比Q接近1，远远小于一般材料的溶胀比（Q>8），凝胶仅在初始阶段有一定程度的轻微溶胀，其对生物组织造成的压迫在可容忍的范围内。当然，他们也通过细胞实验证实了该材料具有很好的细胞相容性，符合组织工程的要求。
可降解凝胶在生物医学领域有着重要的应用前景，它们可以被用于组织修复、药物缓释等诸多领域。然而，传统的可降解水凝胶面临着一个严重的问题：在降解的过程中会发生溶胀，导致凝胶膨胀变形。这种变形可能会压迫周围的神经、组织，带来严重的副作用。因此，制备在降解过程中不发生明显形变的凝胶对于该类材料的应用具有重要意义。要解决这个问题，我们首先要了解凝胶降解过程中为什么会发生膨胀。
一般来说，组成凝胶的聚合物往往具有良好的水溶性，因此，如果将没有交联的聚合物放入水中，他们会发生溶解、扩散，最终形成均匀的聚合物溶液。而凝胶，就是利用物理或化学作用，将这些聚合物链“栓”在一起，形成一个网络，“强迫”聚合物链不发生扩散。由于凝胶内部的聚合物链“浓度”较大，其渗透压远远高于周围的溶液，因此当把一块凝胶放入水中的时候，水分子在渗透压差的驱动下扩散进凝胶内部（也可以理解为聚合物链“想要”扩散到水中），这一过程被称作“溶胀”。另一方面，由于聚合物链被连接成网络以防彼此“失散”，凝胶中的聚合物链往往比自由溶解的聚合物链拉伸程度更高，分子链“弹性”导致的压力与渗透压相平衡，达到凝胶的平衡溶胀状态。而降解过程中，用来束缚凝胶溶胀的聚合物链被剪断，导致凝胶体积增大以达到新的平衡。
那么，有没有什么办法让凝胶在交联态与降解态时分子链的拉伸程度差不多，也就是平衡态时凝胶内部的渗透压为零呢？教科书告诉我们，当Flory-Huggins参数χ（注：Flory-Huggins参数是用来反映聚合物与溶剂分子间相互作用的重要参数）为0.5时，高分子处于θ态，此时高分子链处于理想状态；而当χ<0.5时，高分子链发生伸展（对应状态为溶胀、扩散），当χ>0.5时，高分子链发生坍缩（对应状态为收缩、沉淀）。如果能够调控聚合物的相互作用参数，使其形成凝胶时的状态恰好处在伸展与收缩之间，那么，就有可能得到渗透压为零的凝胶材料。
知道了原理，Kamata等人选择N,N-二甲基丙烯酰胺与N-特丁基丙烯酰胺分别作为亲水和疏水单体，通过控制两者的聚合比有效调控共聚物与水的相互作用参数。通过计算表明，χ=0.5并不是聚合物链膨胀与坍缩的边界，即使在0.5<χ<0.53范围内凝胶依然有溶胀的倾向。因此，他们制备了相互作用参数χ接近0.53的凝胶材料，在降解过程中，该凝胶材料的溶胀比Q接近1，远远小于一般材料的溶胀比（Q>8），凝胶仅在初始阶段有一定程度的轻微溶胀，其对生物组织造成的压迫在可容忍的范围内。当然，他们也通过细胞实验证实了该材料具有很好的细胞相容性，符合组织工程的要求。