今日帶來(lái)近期發(fā)表在Macromolecules上的“Preparation of synthetic polypeptide?polyHIPE hydrogels with stimuli-responsive behavior”。本文的通訊作者是來(lái)自斯洛文尼亞化學(xué)研究所的Pahovnik教授。
水凝膠一般指水溶脹的三維粘彈性大分子交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)，它的溶脹能力、粘彈性等受到其組成與制備方法的調(diào)控。由于其高度可調(diào)性，生物兼容性高的水凝膠在生物醫(yī)藥領(lǐng)域有著廣闊的應(yīng)用潛力，能作為生物傳感器、手術(shù)敷料、組織工程支架等。常規(guī)方法制備的水凝膠網(wǎng)孔尺寸為幾納米至幾十納米，限制了大分子的內(nèi)部傳輸。為了解決這一問(wèn)題，人們開(kāi)發(fā)了高內(nèi)相乳液（high-internal phase emulsion, HIPE）模板方法制備具有大尺寸孔洞的polyHIPE水凝膠。
大多數(shù)相關(guān)文獻(xiàn)中，polyHIPE水凝膠在水包油HIPE連續(xù)相中通過(guò)水溶性烯烴單體（如丙烯酸、N-異丙基丙烯酰胺等）聚合制備。它們的主鏈無(wú)法降解，限制了其生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用。本文作者在油包油HIPE連續(xù)相中通過(guò)不同NCA單體和胱氨酸雙端NCA（作為交聯(lián)劑）共聚制備多肽-polyHIPE水凝膠。它們不僅具有較好的生物兼容性，還能通過(guò)改變谷氨酸、賴氨酸、苯丙氨酸的含量調(diào)控其在不同pH環(huán)境下的性質(zhì)。
由于NCA的開(kāi)環(huán)聚合一般需要保持無(wú)水無(wú)氧，作者將不同NCA和交聯(lián)劑混合在油包油HIPE連續(xù)相制備多肽-polyHIPE有機(jī)凝膠，干燥后的有機(jī)凝膠再通過(guò)脫保護(hù)等步驟轉(zhuǎn)換成響應(yīng)水凝膠（合成步驟如圖1）。為了探討谷氨酸、賴氨酸、苯丙氨酸等組分對(duì)水凝膠在不同pH條件下的影響，作者共制備了三種不同組成的水凝膠，分別是PBLG、P(BLG-co-Phe)以及P(BLG-co-ZLL)，交聯(lián)劑均為胱氨酸雙端NCA，催化劑為N, N-二異丙基乙胺。
圖1. 通過(guò)(a)在 HIPE 的連續(xù)相中DIPEA催化NCA的開(kāi)環(huán)聚合，(b)然后在 HBr/TFA 中對(duì)有機(jī)凝膠進(jìn)行脫保護(hù)來(lái)制備大孔多肽水凝膠的示意圖。
多肽-polyHIPE有機(jī)凝膠中的賴氨酸、谷氨酸組分側(cè)鏈存在不同保護(hù)基，它們需要在HBr/TFA強(qiáng)酸性條件下脫除。氘水中，作者利用二硫蘇糖醇（dithiothreitol, DTT）將二硫鍵切斷，使其轉(zhuǎn)變?yōu)樗苄跃€性聚多肽。核磁氫譜表明多肽-polyHIPE有機(jī)凝膠在HBr/TFA條件下2 h能完全切除保護(hù)基。另外，水凝膠的組成和投料比吻合。如圖2所示，這種方法制備的水凝膠具有很大的孔徑，平均空隙直徑約為60微米。
圖2. 保護(hù)基脫除前后polyHIPE的SEM橫截面圖像。(a) PBLG, (b) P(Glu), (c) P(BLG-co-Phe), (d) P(Glu-co-Phe), (e) P(BLG-co-ZLL), (f) P(Glu-co-Lys)。
為了研究pH對(duì)水凝膠的緩沖溶液吸收影響，作者將水凝膠放置于不同pH值緩沖溶液。所有緩沖溶液都通過(guò)添加NaCl將離子強(qiáng)度調(diào)節(jié)至0.15 M。谷氨酸的側(cè)鏈為羧基，pH值增加會(huì)導(dǎo)致其電離程度的增加，從而導(dǎo)致P(Glu)對(duì)緩沖溶液的吸收隨著pH升高而升高（如圖3(a)）。P(Glu-co-Phe)中Phe組分間的疏水作用會(huì)導(dǎo)致緩沖溶液的吸收降低（如圖3(b)）。根據(jù)相似的原理，P(Glu-co-Lys)在近中性條件具有最低的緩沖溶液吸收。此時(shí)，賴氨酸組分和谷氨酸組分分別帶有正電荷以及負(fù)電荷，相互吸引。水凝膠的機(jī)械性能也受到組分以及緩沖溶液pH、離子強(qiáng)度的調(diào)控。
圖3. (a) P(Glu)、(b) P(Glu-co-Phe) 和 (c) P(Glu-co-Lys)水凝膠的緩沖液吸收隨pH變化。
最后，作者分析了水凝膠的酶促降解過(guò)程。本文中使用的是XIV型蛋白酶，它和哺乳動(dòng)物蛋白酶具有相似性。在 0.01 U/mL 蛋白酶溶液中，P(Glu) 和 P(Glu-co-Phe) 水凝膠分別在 3 天和 4 天內(nèi)完全降解。完全降解后，得到無(wú)任何殘留物的澄清溶液。然而，P(Glu-co-Lys) 水凝膠在 0.01 U/mL 蛋白酶溶液中的降解較慢，6 天后觀察到約 30% 的降解。
圖4. P(Glu)、P(Glu-co-Phe) 和P(Glu-co-Lys) 水凝膠在0.01 U/mL蛋白酶 XIV 型溶液中的酶降解曲線，pH值為7.5和37 °C。P(Glu-co-Lys) 水凝膠相同條件下在0.25 U/mL蛋白酶 XIV 型溶液中降解。
綜上所述，本文在油包油HIPE連續(xù)相中以5 mol% l-胱氨酸作為交聯(lián)劑，制備了PBLG、P(BLG-co-Phe)和P(BLG-co-ZLL)有機(jī)凝膠。酸性條件下脫保護(hù)后，P(Glu)、P(Glu-co-Phe)和P(Glu-co-Lys)水凝膠，顯示出完全保留polyHIPE形態(tài)。水凝膠可以通過(guò)還原二硫鍵或酶促降解，表現(xiàn)出良好的生物兼容性。另外，由于水凝膠含有可電離的側(cè)基，它們表現(xiàn)出依賴于緩沖溶液pH和離子強(qiáng)度的吸收和壓縮行為，能通過(guò)調(diào)整多肽的化學(xué)組成改變這類水凝膠的機(jī)械性能。
作者：LXY 審校：ZZC
DOI: 10.1021/acs.macromol.1c01490
Link: https://doi.org/10.1021/acs.macromol.1c01490
