光降解水凝胶：三色光响应

news2024/9/19 10:45:42

大家好，今天来了解一种三色可见光波长选择性光降解水凝胶生物材料——《Tricolor visible wavelength-selective photodegradable hydrogel biomaterials》发表于《Nature Communications》，其交联剂Rubiq、Rubp和oNB对低能可见光（400 - 617nm）响应且具波长选择性，与 PEG 前体可形成水凝胶。这些水凝胶能在红、绿、蓝光下实现多重降解，可在复杂组织中深度达2cm处降解，稳定性与温度相关。细胞实验表明，交联剂具有一定细胞相容性，封装在水凝胶中的细胞有较高存活率，光降解后细胞存活率因细胞类型而异，该材料还可实现多重细胞群体的恢复，有望在多个领域应用。

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一、引言

光在控制动态材料转化方面具有强大的时空控制能力，生物材料界致力于开发光响应水凝胶。然而，当前的光敏感材料存在依赖高能紫外光、组织穿透性差等限制。为了扩展光响应范围到可见光，本文介绍了一种新型的光降解水凝胶生物材料。

二、材料合成与性质

2.1 交联剂的合成与表征

合成方法：合成了基于钌化合物的Rubiq、Rubpy和oNB三种交联剂，Rubiq和Rubpy 分别通过两步和一步合成，oNB则按照已发表的方案进行合成，并通过核磁共振和电喷雾电离质谱进行表征。

光化学性质：在适当波长光照射下，Rubiq和Rubpy通过配体交换与溶剂分子（水）发生反应，由于低能级金属-配体电荷转移（MLCT）状态，它们表现出低能量吸收带。2,2' -联喹啉的扩展π键结构使Rubiq的吸收峰发生红移，至535nm。所有交联剂在可见光范围内都有显著的吸收峰且吸收光谱缓慢衰减，允许低能光子吸收。

2.2 交联剂的光解特性

波长选择性：Rubiq在617nm、Rubpy在530nm、oNB在405nm光照射下可发生波长选择性光解。红光（617nm）照射仅导致Rubiq光解，绿光（530nm）照射使Rubiq和Rubpy 光解但oNB保持完整，蓝光（405nm）照射使所有三种交联剂光解。这通过吸收光谱的变化得以证明，化合物在光解时电子结构发生变化，反映在吸收光谱中。

光解效率：通过紫外-可见光谱分析光解反应的动力学，测定了在本研究中使用的波长下光裂解的量子产率（QY）。结果表明，更快的光裂解伴随着更高的光强度，当光解程度归一化为总光剂量（光强和曝光时间的乘积）时，每个物种的裂解轨迹都坍缩到一条曲线上。Rubpy的QY最高（0.29±0.04），Rubiq的QY为0.016±0.009，oNB在405nm处的 QY较低（0.004±0.003），但其较高的摩尔吸光率使其在可见光照射下能有效光解。所有三种交联剂在 30 分钟内光解完全。

颜色变化：光解伴随显著的颜色变化，特别是Rubiq，这为水凝胶配方中交联剂裂解的定性测定提供了有用的依据。

三、水凝胶的降解特性

3.1 多重水凝胶降解

水凝胶制备与降解测试：将Rubiq、Rubpy和oNB与PEG - tetraBCN通过SPAAC化学聚合形成水凝胶，凝胶化动力学因交联剂身份略有不同，但都形成了相当硬的水凝胶（G' - 2.5kPa）。通过流变学测试，交联剂不同的水凝胶在不同波长光照射下表现出选择性降解。Rubiq 基水凝胶在红光照射下迅速降解，Rubpy和oNB基水凝胶在相应波长光照射下依次降解。

水凝胶硬度调节：通过将等量的光不稳定交联剂（1:1:1 Rubiq:Rubpy:oNB）与不同百分比（0-90%）的光稳定的二叠氮-三（乙二醇）交联剂（TEG）混合，同时保持总交联剂浓度恒定，可以调节水凝胶的硬度。根据聚合物网络橡胶弹性理论，稳定的TEG交联剂的掺入在不同百分比下可使水凝胶在光裂解交联剂完全裂解后稳定在中间硬度。低百分比TEG（10%）的水凝胶在暴露于红 + 绿光后失去所有弹性特性，当TEG占交联剂的60%以上时，水凝胶不再完全光降解，在完全光处理后产生柔软稳定的水凝胶。

空间控制降解：通过开放微流控添加剂制造方法制备了由Rubiq、Rubpy和oNB组成的多层水凝胶，展示了对水凝胶多材料的动态图案化的空间控制。多层水凝胶在依次暴露于红、绿和蓝光时，可实现特定区域的降解。

复杂组织中的降解：将水凝胶放置在猪肚皮的不同深度（Rubiq交联水凝胶在皮肤下 2cm，Rubpy 水凝胶在 1cm，oNB水凝胶在0.5cm，oNB用Cy5-叠氮化物修饰以增强可视化），通过不同波长光照射，所有三种水凝胶在报告的深度下在< 2小时内都观察到了溶解，这是首次在这些组织深度直接控制光降解生物材料，突出了这些材料在未来体内应用的潜力。

四、细胞相容性实验

4.1 溶液中细胞毒性测试

细胞活力与增殖：将人骨髓来源的基质细胞（hS5s）和小鼠10T1/2永生化成纤维细胞暴露于Rubiq和Rubpy（1mM）3小时后，通过纵向活力测定评估增殖。Rubiq暴露导致细胞活力显著降低和细胞周期停滞，Rubpy对hS5s无毒性，对10T1/2早期增殖率仅有适度降低。

细胞死亡机制：通过测量半胱天冬酶3活性水平作为细胞凋亡的指标，发现Rubiq和 Rubpy暴露后细胞凋亡无显著差异，提示可能存在其他细胞死亡机制。

交联剂毒性降低：有趣的是，将Rubiq和Rubpy与化学计量过量的单官能化甲氧基 - PEG-BCN预反应，生成的二-PEG化物种毒性明显低于游离交联剂，表明交联剂在聚合到 PEG 基水凝胶网络中后毒性大大降低。

4.2 水凝胶封装与释放细胞的活性测试

封装细胞活力：将hS5s、人间充质干细胞（hMSCs）和 10T1/2细胞封装在Rubiq、Rubpy 和oNB交联的水凝胶中（5×106 细胞/mL），24小时后通过活/死染色（钙黄绿素/溴化乙锭同型二聚体）和荧光共聚焦成像进行分析，所有情况下都观察到较高的存活率（40 - 95%），尽管存在一些细胞和交联剂类型的依赖性。

光降解对细胞活力的影响：细胞负载水凝胶在封装后1天用红、绿或蓝可见光光降解，释放的细胞在水凝胶光产物中再悬浮24小时后，通过染色评估活力。成纤维细胞在接种24 小时后显示出正常形态，表明光降解过程对其没有显著改变。通过流式细胞术直接评估细胞活力，发现从Rubiq水凝胶中释放的细胞活力显著降低约40%，表明Rubiq光产物可能具有部分细胞毒性。

多重细胞群体的恢复：将稳定表达mCherry、GFP或BFP的hS5s分别封装在Rubiq、Rubpy和oNB交联的水凝胶中，通过不同波长光照射实现选择性水凝胶降解，通过共聚焦显微镜观察到降解后，释放的细胞群体通过流式细胞术分析，结果与预期的颜色组成相匹配，进一步证明了水凝胶系统的波长正交性和多重性细胞释放能力。

五、结论与展望

本文介绍的光不稳定交联剂Rubiq、Rubpy和oNB为首个三色可见光降解凝胶系统提供了途径。这些交联剂合成可行，对低能光响应，可用于合成在红、绿和蓝光下快速且正交降解的PEG基水凝胶，能使水凝胶在深度达2cm的复杂组织中降解，具有交联剂细胞相容性，对三种不同细胞类型在水凝胶封装和3D培养时具有中高存活率，可实现多重细胞群体的恢复，有望在机械生物学、4D细胞培养和控制治疗释放等领域得到应用。