《Science》子刊：史上首次！高强度纯两性离子水凝胶

编辑推荐：这种水凝胶的耐久性和纤维囊性，将为软骨置换、组织修复和导管等植入材料的长期发展提供了一条新途径。

高机械强度和长期抵抗纤维囊形成是植入性材料面临的两大挑战。遗憾的是，这两个截然不同的属性并没有有机结合在一起，而是相互妥协。近日，来自美国华盛顿大学&康奈尔大学的Shaoyi Jiang等研究者，报道了一种独特的材料，通过“膨胀”和“锁定”机制将两种弱两性离子水凝胶整合成类似弹性体的高强度纯两性离子水凝胶。相关论文以题为“High-strength and fibrouscapsule–resistant zwitterionic elastomers”发表在Science Advances上。更多精彩专业视频，请关注抖音账号：材料科学网。

论文链接：

https://advances.sciencemag.org/content/7/1/eabc5442

长期以来，合成水凝胶一直是很有吸引力的材料，可用于模拟生物组织的医学应用，如组织支架。实现这一目标有两个主要标准：优异的机械性能和长期抵抗异物反应引起的纤维囊形成。然而，这些性质在同一种材料中通常不会共存，并且相互损害，前者要求疏水性，而后者要求亲水性。虽然体外蛋白吸附、细胞粘附和细胞毒性是评估生物材料的常用方法，但它们远不能解决复杂生命系统中抵抗纤维囊的挑战。该材料植入后很长一段时间内，不触发纤维囊形成的能力是特别具有挑战性的。

众所周知，几乎所有的合成材料在植入后1个月内都会引起异物反应和纤维囊的形成。人们已经通过材料的几何形状或化学修饰来缓解这种异物反应，超亲水两性离子水凝胶在解决这一问题上特别有希望。在研究者的早期研究中，两性离子聚羧基甜菜碱(pCB)水凝胶，已被证明在小鼠皮下植入后3个月可以避免包膜形成，这是生物材料缓解这种反应的最长时间。然而，由于两性离子水凝胶的超亲水性，其力学性能较弱。

增加材料力学性能的一个简单的解决方案是添加疏水组分，但这增加了蛋白质吸附和诱导纤维囊的形成。与此同时，各种水凝胶在增强力学性能方面也取得了长足的进展，如双网络、可逆交联;分子滑动;和更多的性能。虽然许多水凝胶具有较低的蛋白质吸附和细胞粘附性，但它们仍远未达到长期抵抗纤维囊。

在此，研究者提出了一种两性离子-弹性体网络(ZEN)水凝胶(图1A)，通过整合两种弱两性离子水凝胶：pCB和聚(磺基甜菜碱)(pSB)实现。在这种pCB/pSB ZEN水凝胶中，pCB是次要成分，形成一个紧密的交联网络来产生弹性，而pSB是主要成分，形成一个松散的交联网络来提供粘度。这些两性离子-弹性网状(ZEN)水凝胶，在植入小鼠后可有效抵抗纤维囊形成长达1年。这种材料既具有较高的力学性能，又具有长期的纤维囊阻力，这是以前从未实现过的。

图1 具有高机械性能的pCB/pSB ZEN水凝胶。

图2一系列pCB/pSB水凝胶的力学性能和溶胀性能。

图3 ZEN水凝胶的基本设计原则。

图4 pCB/pSB ZEN水凝胶在小鼠皮下植入1年后具有长期的纤维囊耐受性和耐久性。

综上所述，研究者报道了一种“ZEN”水凝胶，表现出独特的机械强度和长期抗纤维囊的组合。ZEN水凝胶的主要特征是它由两个不同的纯两性离子网络组成——一个紧密交联的小组分网络具有高的膨胀性，一个松散交联的主组分网络具有关键的锁定效果。研究发现pCB/pSBZEN水凝胶在大范围变形下，表现出良好的弹性，减少纤维囊的形成，并在小鼠皮下植入长达1年的时间内保持稳定而不退化或机械强度丧失。ZEN水凝胶的耐久性和纤维囊性，将为软骨置换、组织修复和导管等植入材料的长期发展提供了一条新途径。（文：水生）