Adv. Mater. 报道：利用螯合交联构建生物可降解弹性体

【背景介绍】

弹性体是一种玻璃化转变温度（T_g）低于室温、塑性变形能力较低的聚合物。具有弹性后坐力的弹性体对于维持天然组织（心脏、肺、血管等）的功能至关重要。共价键将无规则卷曲的聚合物连接到弹性蛋白等弹性体中，其中每一种聚合物有自己的化学性质，而该化学性质决定了特定键交联成的网络。因此，必须针对每种聚合物进行特定设计，并且所得的每种聚合物都要有一组特定性能。所以设计弹性体费力且限制了所得材料的多功能性。然而，螯合交联键比共价键弱，但比传统交联中使用的化学键强，还具有通用性。利用该策略或将制备出具有不同机械性能和生物可降解的弹性体。

【成果简介】

近日，美国康奈尔大学的王亚冬教授（共同通讯作者）等人报道了一种螯合交联来制备可生物降解的弹性体。由癸二酸、1, 3-丙二醇和席夫碱（2-[[(2-（羟基苯基）亚甲基]氨基]-1, 3-丙二醇）的缩聚反应形成嵌段共聚物，该嵌段共聚物上具有几种生物学上相关的金属离子。其中，螯合交联中一个配体可以结合多个金属离子，进而产生不同强度的化学键，具有传统弹性体中未有的优势。因此，一种与不同金属离子配位的聚合物配体可生产出具有极大不同特性的弹性体。在一种聚合物中混合不同的金属离子，可以提供另一种程度上控制材料的性能，而嵌段共聚物中配体的密度进一步调节了机械性能。通过小鼠模型显示，Fe³⁺交联海绵与广泛使用的聚己内酯相比，其皮下组织的相容性更高。在植入物降解后，植入部位恢复到其正常结构，几乎没有纤维化。基于螯合设计的多功能性已在水凝胶和高弹性不可降解聚合物中应用，该工作中的可生物降解弹性体将为生物医学以及其他领域提供新材料和新机遇。研究成果以题为“Chelation Crosslinking of Biodegradable Elastomers”发布在著名期刊Adv. Mater.上。

【图文解读】

图一、材料设计和聚合物表征

（A）2-[[(2-羟基苯基)-亚甲基]氨基]-1, 3-丙二醇（HPA）、聚（丙二醇HPA-癸二酸酯）（PAS）和M-PAS弹性体的合成；

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

（C）6-，9-和14-PAS的凝胶渗透色谱。

图二、M-PAS的多功能性、可降解性和细胞相容性

（A）薄膜（i）、海绵（ii）和多孔管（iii）中的9-Cu-PAS；

（B）在基本解决方案中降解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涂层上培养6 d后，HUVEC的细胞形态、活/死染色（i）和代谢活性（ii）。

图三、配体/金属比、配体密度和金属离子类型控制M-PAS机械性能

（A）具有不同配体/金属比率的9-Fe-PAS的紫外可见光谱（i）；

（B）x-Co-PAS的应力-应变曲线，x=6、9和14；

（C）具有不同金属离子的14-M-PAS薄膜的应力-应变曲线；

（D）具有不同Mg²⁺/Ca²⁺比的14-Mg-Ca-PAS薄膜的应力-应变曲线；

（E）具有不同金属离子的14-M-PAS薄膜的磁滞测试。

图四、在小鼠皮下植入14-Fe-PAS海绵

（A）在植入4、14、28、56和84 d后，14-Fe-PAS和PCL海绵的总体外观；

（B-C）H＆E和MTS染色的显微照片，用于植入物的横截面；

（D）植入物周围组织中的粒细胞（i）、巨噬细胞（ii）、LC-PC炎症（iii）和CT厚度（iv）；

（E）植入物中的粒细胞（i）；巨噬细胞（ii）；LC-PC炎症（iii）和坏死（iv）。

【小结】

综上所述，本文证明了金属螯合键在交联可生物降解弹性体中的多功能性。通过使用不同类型的金属离子，在一种聚合物中调控不同的金属离子、金属与配体的比例以及聚合物中的配体密度，可以获得优异的机械性能。弹性体的生物相容性与PCL的生物相容性相匹配，为弹性体的发展开辟了新途径，可以改善软组织的重建和再生。此外，在聚合物中引入金属离子后使其具有新的生物功能，这些新发现有助于开发新材料特性和在多个领域的应用。

文献链接：Chelation Crosslinking of Biodegradable Elastomers（Adv. Mater., 2020, DOI: 10.1002/adma.202003761）

本文由CQR编译。

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