材料
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不能回到過去
但PEG水凝膠可以
水凝膠是長期以來受到人們關注最多的生物材料之一，它們在化學和物理性質上都非常接近細胞的自然環(huán)境，因此作為細胞的二維和三維支架被廣泛研究。
水凝膠可以由人工合成的聚合物（如聚（乙二醇）、聚（甲基丙烯酸羥乙酯）等）與天然存在的聚合物（如膠原蛋白、透明質酸等）交聯(lián)形成，并且由于它們的含水量非常高，可以有效被應用于組織培養(yǎng)的3D模型，不受細胞、蛋白質和DNA的影響。
根據不同組成部分的反應性，可以通過pH、溫度、庫侖相互作用、共價鍵、非共價相互作用或聚合來誘實現凝膠化。
一、PEG大分子單體
為了形成水凝膠，PEG必須發(fā)生交聯(lián)反應。現在PEG水凝膠的形成通常是通過共價交聯(lián)具有反應鏈端的PEG高分子合成的。
圖1：聚乙二醇球狀模型
具有活性反應末端的PEG高分子聚合物，如丙烯酸酯、烯丙醚、馬來酰亞胺等（圖2）很容易通過直接購得的試劑合成。
圖2：不同PEG大分子的末端基團
二、水凝膠形成機理
形成水凝膠的交聯(lián)機制取決于PEG高分子鏈末端的特性，通常采用的是自由基引發(fā)劑與反應性乙烯基鏈末端聚合的同時發(fā)生交聯(lián)。例如，大分子單體的聚合可以使用通過氧化還原反應生成的自由基（比如過硫酸銨和TEMED）或光照產生的自由基（圖3，λ=365 nM）來引發(fā)，隨后通過丙烯酸酯和甲基丙烯酸酯鏈末端基元反應來發(fā)生鏈增長。
圖3：鏈式增長和階梯式增長反應
混合模式聚合是在同一反應容器中發(fā)生的兩種機制的結果；丙烯酸酯和甲基丙烯酸酯基團可以形成混合模式網絡。兩種水凝膠形成機制均可用于包裹活體細胞，并且兩種機制均可使肽、蛋白質或其他治療藥物發(fā)生反應性摻入。
三、水凝膠的降解
為了使用3D水凝膠支架來研究細胞分化和組織進化，通過空間和時間調控的方式來設計凝膠的物理和化學性質是至關重要的。
聚合物材料性質通常借由聚合/交聯(lián)（鍵形成）或借由受控降解及/或釋放（鍵斷裂）來改變。鍵的形成通常會用到小分子試劑（引發(fā)劑、催化劑，單體、連接到材料的配體），而鍵斷裂則通常不依賴于外源試劑。小分子在體外和體內均具有比聚合物試劑更多的副反應，因此許多研究小組用降解作為原位操作聚合物生物材料的工具。
圖4：降解后的水凝膠示意圖
水解降解
水凝膠中最常用的降解機理就是水解，即一個水分子加入到聚合物骨架中，導致鏈斷裂。酸酐、酯和酰胺都很容易水解，氫化物通常水解得太快，而酰胺類的若未經過催化則水解太慢，因此大多數水凝膠的水解降解都是利用酯鍵。為了獲得具有生理相關時間維度上的可降解水凝膠，研究人員通常使用交酯或乙醛交酯段將具有可降解酯鍵的PEG功能化（圖5）。
圖5：聚乙二醇乙交酯和聚乙二醇丙交酯的合成
酶促降解
雖然酯鍵是可通過酶降解的，但大多數研究人員都會使用具有特異性序列的酶降解摻入水凝膠中的肽，而不是非特異性的酶降解酯和酰胺。
Hubbell團隊率先通過Michael加成反應把丙烯酸酯、馬來酰亞胺和乙烯基砜官能化的半胱氨酸肽，將基質金屬蛋白酶（MMP）具有反應敏感型的連接鍵引入水凝膠（圖6）。
圖6：通過Michael加成將含有半胱氨酸的肽添加到含乙烯基砜基團的酶中制備可降解型水凝膠
在水解和酶解過程中，降解速率由大分子的化學性質決定。在水解中，材料的降解率是通過其本身的性質（如疏水性或親水性）和可水解基團的數量預先設計的，并且一旦材料被制造出來，就不能改變。在酶解過程中，降解通常發(fā)生在產生酶的細胞局部區(qū)域。水解和酶解均是緩釋治療藥物的有效方法，但水凝膠制備后無法調節(jié)或阻滯其釋放速率，且釋放不受空間限制。
光致降解
與水解和酶降解相比，光降解允許更加精準的空間和時間控制降解和釋放。雖然已有許多研究者報道了光聚合水凝膠和光功能化水凝膠，但關于生物相容性光降解水凝膠的報道很少。Kloxin和Kasko發(fā)表了由含PEG高分子形成的光可降解水凝膠網絡（圖7）；鄰-硝基芐基（o-NB）連接基團的光降解行為具有良好的表現。
圖7：光降解o-NB摻雜的水凝膠骨架用于釋放治療藥劑
生物材料的單光子光刻的典型波長范圍從長波UV（≥365 nm）到可見光區(qū)域，而雙光子光刻則使用紅外光（通常~ 740-800 nm）較多。紅外光具有更好的生物相容性，對活體組織的破壞性更小，并能夠有更大的穿透深度。發(fā)生雙光子吸收的區(qū)域也被嚴格限制在了光的焦點上，而不是沿著光的整個路徑，提供了對激發(fā)3D控制的新思路。
單光子和多光子反應都有能力制備出特征點小于500 nm的材料，遠小于哺乳動物細胞的大小。這代表了對水凝膠支架結構和化學的空間控制水平達到了前所未有的高度。
四、小結
聚乙二醇是一種易制備、易改性的聚合物。它被廣泛應用于水凝膠制造，包括作為組織培養(yǎng)的2D和3D支架。
聚乙二醇水凝膠易于引入可降解鍵——水解可降解凝膠允許持續(xù)的材料降解和/或治療劑釋放；酶降解凝膠的降解和釋放是由細胞決定的；光致降解允許使用者對水凝膠的理化性質進行實時定制的外部操作。
圖8：水凝膠
五、阿拉丁相關產品
產品貨號 | 產品名稱 | 包裝規(guī)格 |
P103730 | 100g 250g 500g 1kg 5kg | |
P109710 | 25mL 100mL 500mL 2.5L | |
P109711 | 100mL 500mL 2.5L | |
P133766 | 50mL 250mL 1L 2.5L | |
M130065 | 100g 250g 500g 1kg | |
P274350 | 500g 1kg 2.5kg | |
P303204 | 25g 100g 500g 2.5kg | |
M109437 | 250mg 500mg 1g 5g 25g | |
A163261 | 100mg 1g 5g | |
T164391 | 200mg 1g 5g |
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