Title:High-strengthandfibrouscapsule–resistantzwitterionicelastomers

Authors:DianyuDong#,CarolineTsao#,Hsiang-ChiehHung#,FanglianYao,ChenjueTang,LiqianNiu,JinrongMa,JoelMacArthur,AndrewSinclair,KanWu,PriyeshJain,MitchellRyanHansen,DorathyLy,SebastianGia-huyTang,TammyMyLuu,ParulJain,ShaoyiJiang

ScienceAdvances

DOI:10./sciadv.abc

引言

长期以来，合成水凝胶一直是模拟生物组织用于医疗应用的极具吸引力的材料。高机械强度和长期抵抗纤维囊的形成是可植入材料面临的两个主要挑战。然而，这两种特性通常不能存在于同一种材料中，因为力学性能与材料的疏水性有关，抗纤维囊的能力与材料的亲水性有关。

近期，美国华盛顿大学江绍毅(通讯作者)课题组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到一个类似于弹性体的高强度的纯两性离子水凝胶中。该文章整合的两种弱两性离子水凝胶分别是聚(羧基甜菜碱)(pCB)和聚(磺基甜菜碱)(pSB)。在这种pCB/pSBZEN水凝胶中，pCB是次要成分，形成紧密交联的网络以产生弹性，而pSB是主要成分，形成松散交联的网络以提供粘度。该材料中具有高膨胀性的次要组分网络和具有锁定效应的主要组分网络对于实现具有最佳弹性/粘度比的ZEN水凝胶至关重要。这些两性离子-弹性-网络(ZEN)水凝胶在植入小鼠体内长达1年的时间里可以有效地抵抗纤维囊的形成。这种既具有高机械性能又能长期抵抗纤维囊的材料以前从未实现过。这项工作不仅展示了一类耐用和抗纤维囊材料，而且还提供了两性离子弹性水凝胶的设计原则。

图1：具有高机械性能的pCB/pSB(聚(羧基甜菜碱)/聚(磺基甜菜碱))ZEN水凝胶

(A)两性离子-弹性体-网络(ZEN)水凝胶的设计原理示意图。(B-E)力学性能：pCB、pSB力学性能比较弱，相比之下，pCB/pSBZEN水凝胶在断裂应力为22.3MPa的情况下，能压缩至应变为99%，释放后仍能保持原来的形状。同样，pCB/pSBZEN水凝胶的拉伸应变为.9%，与血管等生物组织的拉伸应变相当。(F-H)pCB/pSBZEN水凝胶可以制成许多形状，并且能够在恢复到其原始几何形状之前保持大范围的变形。

图2：一系列pCB/pSB水凝胶的力学和溶胀性能

(A-D)力学性能：本文章对由三种不同的pCB网络和七种pSB网络组成的一系列水凝胶进行了正交压缩测试，最优机械强度对应的pSB组分和pCB组分的质量百分比分别为95%和5%，pSB为主要组分，pCB为次要组分。(E、F)溶胀性能：pCB/pSBZEN水凝胶浸入水中溶胀至平衡状态后，观察到临界锁定效应。在同样的正交研究下，该文观察到其他pCB/pSB组也只显示出很小的体积增长，平衡水含量(EWC)保持在60至66%左右。说明以pSB为主要组成网络的pCB/pSB水凝胶体系具有普遍的锁定效应。

图3：ZEN水凝胶的基本设计原则

(A-F)本文比较了两个两性离子网络的其他次要成分/主要成分组合：pCB/pCB、pSB/pCB和pSB/pSB。所有pCB/pCB水凝胶在水中达到平衡后都表现出很大的体积增加，导致机械性能较弱。在pSB/pCB系统中，其中pSB是次要组分网络，也没有锁定效应，因为水凝胶在达到平衡后增加了其原始尺寸的%。然而，在pSB/pSB系统中观察到锁定效果，同时平衡体积小幅增加约7.9%。总之，这些结果证实了ZEN水凝胶的基本设计原则：具有高膨胀性的次要组分网络和具有锁定效应的主要组分网络对于实现具有最佳弹性/粘度比的ZEN水凝胶至关重要。

图4：在小鼠皮下植入长达1年后，pCB/pSBZEN水凝胶表现出长期纤维囊抗性和耐久性

(A-E)植入后一周，在与pHEMA(聚(2-羟乙基甲基丙烯酸酯))水凝胶直接接触的组织界面处观察到嗜碱性变色和明显的细胞聚集，表明存在急性炎症反应。到pHEMA水凝胶植入的第四周，已形成致密成熟的胶原包膜，并在1年后进一步增厚。相比之下，1周后在组织和植入的pCB/pSBZEN水凝胶之间的界面几乎没有观察到细胞，与阴性对照相似。在研究的整个过程中，与pCB/pSBZEN水凝胶相邻的皮肤组织既没有表现出炎症迹象，也没有任何致密的纤维囊形成，而是与阴性对照皮肤组织相似的松散皮下结构。此外，pCB/pSBZEN水凝胶样品在植入一整年后没有明显的退化和机械性能损失。

小结

总之，该团队在这里报告了一种“ZEN”水凝胶，它表现出高机械强度和长期纤维囊抵抗的独特能力。ZEN水凝胶的主要特征是它由两种不同的纯两性离子网络组成——紧密交联的微量组分网络具有高溶胀性，而松散交联的主要组分网络表现出临界锁定效应。该文发现pCB/pSBZEN水凝胶在高度变形下表现出优异的弹性，减轻纤维囊的形成，并在皮下植入小鼠长达1年时保持稳定而不会降解或失去机械强度。本文的ZEN水凝胶表现出的耐用性和纤维囊耐受性为人们对可植入材料的应用(如软骨置换、组织修复和导管)提供了一条新途径。

上述研究成果在《ScienceAdvances》上在线发表，题为“High-strengthandfibrouscapsule–resistantzwitterionicelastomers”。美国华盛顿大学DianyuDong,CarolineTsao,Hsiang-ChiehHung为文章的共同第一作者，美国华盛顿大学江绍毅为论文通讯作者。

原文链接：