彈性體的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度（Tg）低于室溫，且具有可逆變形能力。彈性性能對于維持天然生物組織（如心臟、肺、血管、皮膚等）及人造結(jié)構(gòu)（如密封墊圈、軟管、輪胎等）的功能至關(guān)重要。共價(jià)鍵將無規(guī)卷曲的聚合物連接形成彈性體，如彈性蛋白、硫化橡膠等，其化學(xué)性質(zhì)決定了在彈性體中的交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。而弱鍵交聯(lián)彈性體通常表現(xiàn)為更大的塑性。因此，一般需對聚合物進(jìn)行設(shè)計(jì)來獲得特定功能的彈性體，這使得彈性體的制備變得困難，并限制了其通用性和應(yīng)用范圍。如何設(shè)計(jì)合適的鍵合作用來獲得特定功能的彈性體呢？這變得非常重要。
【工作亮點(diǎn)】
針對這一問題，近期美國康奈爾大學(xué)王亞冬教授團(tuán)隊(duì)開展了系統(tǒng)深入的研究，考察了配位鍵類型、配體類型、聚合物主鏈和金屬離子種類，通過將高度通用的、弱于共價(jià)鍵但強(qiáng)于弱鍵鍵合作用的螯合鍵引入到彈性體中，通過調(diào)控不同種類金屬離子與配體螯合，開發(fā)了不同機(jī)械性能和生物降解性的彈性體。與廣泛使用的生物材料聚己內(nèi)酯相比，小鼠模型顯示其與皮下組織的相容性更高，降解后植入部位恢復(fù)正常，所報(bào)道的生物可降解彈性體將為生物醫(yī)學(xué)以及其他領(lǐng)域提供更多可能性。相關(guān)工作以“Chelation Crosslinking of Biodegradable Elastomers”為題發(fā)表在國際材料學(xué)領(lǐng)域頂級(jí)期刊《先進(jìn)材料》（Advanced Materials）。
【圖文分析】
帶有兩個(gè)羥基和一個(gè)酚的席夫堿配體HPA是通過簡單的縮合反應(yīng)合成的，癸二酸、1,3-丙二醇和HPA縮聚反應(yīng)產(chǎn)生聚丙二醇-co-（羥基苯基亞甲基）氨基丙二醇癸二酸酯）（PAS）嵌段共聚物，1,3-丙二醇和HPA的羥基轉(zhuǎn)化為聚酯骨架的酯鍵，而酚氧基和席夫堿則作為側(cè)基，通過調(diào)節(jié)二醇中HPA的摩爾百分比，可以合成出含有三種不同密度的配體體（分別為6％，9％和14％）的PAS聚合物。該嵌段聚合物可結(jié)合多種金屬離子發(fā)生螯合作用，且一個(gè)配體可結(jié)合多個(gè)金屬離子以產(chǎn)生不同強(qiáng)度的鍵合作用，從而制備具有不同特性的彈性體。添加金屬離子（例如鐵）后PAS溶液立即凝膠化，表明發(fā)生交聯(lián)；在競爭性配體存在下，螯合鍵應(yīng)該是可逆的，在加入乙二胺四乙酸（EDTA）的1分鐘內(nèi)，凝膠又變成溶液。
圖1?材嵌段聚合物設(shè)計(jì)和表征
未交聯(lián)的PAS聚合物可以加工成各種形狀，因?yàn)樗鼤?huì)熔化成液體并溶于常見的有機(jī)溶劑，例如丙酮、四氫呋喃等；將M-PAS制成薄膜、泡沫和多孔管，以9-Cu-PAS為例，薄膜和泡沫表現(xiàn)出優(yōu)異的彈性，9-Cu-PAS多孔管的孔隙率約為65％，可以反復(fù)扭曲而不會(huì)變形。M-PAS的酯骨架通過水解降解，在含有NaOH的PBS溶液中可加速體外降解，M-PAS彈性體的降解速率隨金屬離子而變化，與它們不同的金屬-配體螯合強(qiáng)度有關(guān)。彈性體形成過程中金屬-配體發(fā)生交聯(lián)，其螯合鍵的不同強(qiáng)度決定了交聯(lián)聚合物的穩(wěn)定性，在EDTA存在下，6-M-PAS更快降解表明金屬配位鍵將聚合物網(wǎng)絡(luò)保持在一起，并且交聯(lián)可以被另一個(gè)配體逆轉(zhuǎn)，這提供了控制聚合物降解的一種新方法。MTT分析證明對14-Fe-PAS和PCL具有相同的代謝活性，結(jié)果表明，14-Fe-PAS至少在體外具有與PCL相同的細(xì)胞相容性。
圖2?M-PAS的多功能性、降解性和細(xì)胞相容性
以9-Fe-PAS為例，研究發(fā)現(xiàn)通過控制交聯(lián)可獲得不同機(jī)械性能的彈性體，當(dāng)配體/金屬的摩爾比從2增加到6時(shí)，斷裂應(yīng)變從144± 9.20％增加至394 ± 42.6％，拉伸強(qiáng)度從1127 ± 57.86降低至552 ± 55.59 kPa，楊氏模量從2125± 190.25減少至674 ±121.34 kPa，韌性保持在1000 kJ m?– 3左右。Fe3+含量減少，薄膜更柔韌具有更高的可拉伸性，較少的交聯(lián)劑導(dǎo)致交聯(lián)之間的聚合物鏈更長，從而更具彈性。在給定的配體密度下，不同的金屬具有不同的螯合鍵強(qiáng)度，對于選擇金屬離子獲得具有特定機(jī)械性能的彈性體以滿足特定應(yīng)用的需求至關(guān)重要。通過配位鍵交聯(lián)的優(yōu)點(diǎn)是可以在同一聚合物網(wǎng)絡(luò)中使用金屬離子的混合物。對14-M-PAS膜進(jìn)行了磁滯測試，所有薄膜都可以承受至少100個(gè)循環(huán)的循環(huán)載荷而不會(huì)破裂，金屬離子決定了14-M-PAS的彈性反沖力，隨著循環(huán)的增加，應(yīng)力降低表明鍵斷裂會(huì)耗散能量，F(xiàn)e3+交聯(lián)聚合物彈性最大，表明Fe3+與PAS的強(qiáng)烈螯合，彈性主要來源于金屬離子螯合鍵的快速動(dòng)態(tài)締合和解離。
圖3?通過配體/金屬比、配體密度和金屬離子類型調(diào)控M-PAS機(jī)械性能
以14-Fe-PAS為例，通過小鼠皮下植入評(píng)估生物相容性。以生物相容性良好的PCL作為對照，將大小相同的14-Fe-PAS泡沫和PCL泡沫對稱地植入同一只小鼠的背部，所有小鼠均存活下來，在植入部位無感染；14天后，植入物邊緣可見明顯的圓滑，這可能是由于降解所致，第28天細(xì)胞滲透到整個(gè)具有纖維血管組織的植入物中并且開始大量降解，這是由聚合物含量降低所致，組織學(xué)分析表明大多數(shù)14-Fe-PAS在第84天時(shí)已降解，而在84 d后PCL植入物仍保持其形狀，尺寸變化不大。以上結(jié)果表明14-Fe-PAS在體內(nèi)的降解速度比PCL快，且其降解速率比體外的PCL高4.67倍。然而，14-Fe-PAS和PCL植入物周圍的組織均顯示出輕微的不良反應(yīng)，如炎癥和纖維化，但PCL的炎癥反應(yīng)比14-Fe-PAS稍強(qiáng)，14-Fe-PAS的降解速度比PCL快，在植入部位的微環(huán)境中降解產(chǎn)物的濃度更高，在皮下環(huán)境中，14-Fe-PAS誘導(dǎo)的炎癥反應(yīng)比PCL輕。
圖4?在小鼠皮下植入14-Fe-PAS泡沫及其可降解性
【總結(jié)】
本文研究了金屬交聯(lián)螯合鍵在生物降解彈性體中的多功能性，通過在聚合物中引入不同類型的金屬離子，調(diào)控金屬與配體的比例以及聚合物中的配體密度，可獲得系列可調(diào)機(jī)械性能的彈性體，其生物相容性與PCL生物相容性相匹配，為可生物降解彈性體的發(fā)展開辟了新的途徑，以改善軟組織的重建和再生。本文提出的金屬離子螯合交聯(lián)機(jī)理為許多新的研究提供了可能，如引入不同類型的金屬離子、探索其他類型的配體等，為賦予彈性體新的生物功能成為可能。
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