在水凝膠中，親水性或兩親性聚合物通過共價(jià)鍵或物理相互作用交聯(lián)形成網(wǎng)絡(luò)。快速且無催化劑的交聯(lián)策略對共價(jià)交聯(lián)水凝膠的構(gòu)建具有重要意義。迄今為止，已經(jīng)開發(fā)了廣泛的反應(yīng)用于制備共價(jià)交聯(lián)的水凝膠，例如邁克爾加成反應(yīng)，疊氮化物-炔烴環(huán)加成反應(yīng)和狄爾斯-阿爾德反應(yīng)。羰基與N-親核試劑（例如伯胺，酰肼和氨氧基）之間的縮合反應(yīng)廣泛用于生物綴合領(lǐng)域以及水凝膠的構(gòu)建中。
【研究成果】
最近，長春應(yīng)化所中科院院士陳學(xué)思教授團(tuán)隊(duì)首次報(bào)道了鄰苯二甲醛（OPA）與N-親核試劑（伯胺，酰肼和氨氧基）之間的縮合反應(yīng)以形成水凝膠。將含有OPA的四臂聚乙二醇（4aPEG）與各種以N-親核試劑封端的4aPEG作為構(gòu)建基塊混合時(shí)，形成的水凝膠具有超快的凝膠化速率，高機(jī)械強(qiáng)度和極低的臨界凝膠化濃度（CGC）。
小分子模型反應(yīng)表明，這些交聯(lián)的關(guān)鍵是雜環(huán)鄰苯二甲酰亞胺產(chǎn)物或異吲哚（雙）半乳糖中間體的快速形成，具體取決于N-親核試劑。鄰苯二甲酰亞胺鍵形成的二級速率常數(shù)（4.3 M-1 s-1）分別比苯甲醛酰腙和肟的速率常數(shù)高3000倍和200倍，與許多環(huán)加成點(diǎn)擊反應(yīng)相當(dāng)。
基于通用的OPA化學(xué)方法，無需復(fù)雜的化學(xué)修飾即可輕松地從天然多糖，蛋白質(zhì)或合成聚合物制備各種水凝膠。而且，通過經(jīng)由OPA與氨基之間的反應(yīng)引入帶有胺的肽，可以容易地將生物功能性賦予水凝膠。具體成果‘‘A fast and versatile cross-linking strategy via o-phthalaldehyde condensation for mechanically strengthened and functional hydrogels’’出版在《National Science Review》期刊上。
【圖文解析】
1.水凝膠的設(shè)計(jì)與合成
為了獲得通過OPA / N-親核試劑縮合構(gòu)建水凝膠的基本組成部分，作者合成了多種形式的以O(shè)PA或N-親核試劑封端的4aPEG（Mn = 10 kDa），包括以O(shè)PA封端的4aPEG（4P-OPA），伯胺末端的4aPEG（4P-NH2），酰肼末端的4aPEG（4P-NHNH2）和氨氧基末端的4aPEG（4P-ONH2）（圖1）。
2.水凝膠流變和力學(xué)性能的比較
在反應(yīng)性端基的摩爾比固定為1：1時(shí)，在pH 7.4和37 ℃下評估4aPEG各種混合物的膠凝行為。觀察到所有基于4P-OPA的混合物均顯示低至1％的臨界膠凝濃度（圖2A，B）。在將4P-OPA與4P-NH2、4P-NHNH2或4P-ONH2混合后的10分鐘內(nèi)，即使在2％的低聚合物濃度下也形成了獨(dú)立的水凝膠（圖2C）。隨著聚合物濃度的增加，基于4P-OPA的系統(tǒng)的膠凝作用進(jìn)一步加速，當(dāng)聚合物濃度高于9％時(shí)，混合前體組分后立即形成水凝膠。相反，將4P-PhCHO與4P-NH2混合后，水凝膠只能在不小于25％的聚合物濃度情況下形成（圖2B）。盡管將4P-PhCHO與4P-NHNH2或4P-ONH2以相對較低的聚合物濃度混合（CGC分別為5％和4％）形成水凝膠，但凝膠時(shí)間相當(dāng)長：4P-PhCHO與4P-NHNH2的膠凝需要110-341分鐘，而4P-PhCHO與4P-ONH2的膠凝需要27-227分鐘（取決于聚合物濃度）（圖2C）。使用時(shí)間掃描測量，通過流變法進(jìn)一步研究了水凝膠的形成速率。
具體而言，發(fā)現(xiàn)在記錄第一個數(shù)據(jù)點(diǎn)之前，對于4P-OPA與4P-NH2的5％混合物，通過儲存模量>失去模量 (G’> G”)，表明存在瞬時(shí)凝膠化過程（圖2D）。此外，G’/ G”交叉法測定2％的4P-OPA與4P-NHNH2混合物的膠凝點(diǎn)為2分鐘，而將4P-OPA與4P-NHNH2混合則延長至277分鐘（圖2E）。為了研究基于4P-OPA的水凝膠在凝膠動力學(xué)方面是否仍保持優(yōu)勢，在10-50 mM的經(jīng)典苯胺催化劑存在下對4P-PhCHO水凝膠進(jìn)行時(shí)間掃描流變測量（圖2G）。此外，以壓縮和拉伸測試以評估塊狀水凝膠的機(jī)械強(qiáng)度。正如預(yù)期的那樣，隨著聚合物濃度從9％增加到15％，4P-OPA / 4P-NHNH2水凝膠的壓縮強(qiáng)度和拉伸強(qiáng)度分別從234 kPa和37.7 kPa增加到410 kPa和60.5 kPa（圖2H，I）。
3.成膠機(jī)理的探討
作者為了更好地了解基于4P-OPA的水凝膠的交聯(lián)機(jī)理，通過NMR，UV和質(zhì)譜研究市售OPA與N-親核試劑（甲胺，咔唑乙酯和乙氧基胺）之間的模型反應(yīng)。已經(jīng)確定OPA在水溶液中可逆地作為水合物存在。從D2O / DMSO-d6（4：1）中OPA的1H NMR光譜中觀察到，分配給OPA水合物的化學(xué)位移分別為6.44和6.15 ppm（圖3A）。通過在PBS中混合0.1 mM OPA和0.1 mM甲胺，進(jìn)一步通過UV評估鄰苯二甲酰亞胺的形成動力學(xué)（圖3B）。將OPA與氨基甲酸乙酯混合5分鐘后，1H NMR譜圖顯示該混合物由水合物和IHBA（5.67和5.45 ppm）組成，水合物/ IHBA摩爾比為53:47（圖3C，D）。由于殘留的醛基團(tuán)能夠參與另一次親核進(jìn)攻，由OPA與咔嗪乙酯形成的the可能在幾天內(nèi)經(jīng)歷分子內(nèi)環(huán)化反應(yīng)，生成環(huán)化產(chǎn)物2-(ethoxycarbonyl)-1,2-dihydro- phthalazin-1-ol（圖3E）。
4.功能性探討和應(yīng)用
OPA對N-親核試劑的高反應(yīng)活性為從天然和合成大分子制備各種水凝膠提供了一種通用的策略。作者進(jìn)一步研究了4P-OPA與各種含N-親核試劑反應(yīng)，包括羥乙基殼聚糖（HECS），己二酰二肼改性的透明質(zhì)酸（HA-ADH），明膠，牛血清白蛋白（BSA）和聚（L-賴氨酸）（PLL）（圖4A）。樣品瓶反演測試和時(shí)間掃描流變學(xué)測量表明，將4P-OPA與每種大分子混合后，可以在15 秒至5分鐘內(nèi)形成水凝膠，具體取決于含N-親核試劑的大分子的類型和聚合物的濃度（圖4B）。增加聚合物的濃度將減少膠凝時(shí)間，并顯著提高所得水凝膠的機(jī)械強(qiáng)度（圖4C–G）。摻入多種天然或合成的大分子使水凝膠具有可調(diào)節(jié)的生物降解能力。例如，在10 U mL-1透明質(zhì)酸酶的存在下，4P-OPA / HA-ADH水凝膠可在22天和30天之內(nèi)降解。（圖4H）。在1 U mL-1彈性蛋白酶的存在下，分別在4％和8％的聚合物濃度下4P-OPA / BSA水凝膠可以在3天和8天之內(nèi)迅速降解。（圖4I）。
【陳述總結(jié)】
基于OPA和N-親核試劑（伯胺，酰肼或氨氧基）之間的反應(yīng)，作者提出了一種異?？焖俚哪z化方法。與傳統(tǒng)的苯甲醛/ N-親核試劑反應(yīng)形成的類似物相比，OPA / N-親核試劑交聯(lián)的4aPEG水凝膠在生理?xiàng)l件下顯示出明顯更快的膠凝速率，優(yōu)異的機(jī)械強(qiáng)度和更低的CGC。另外，OPA與N-親核試劑的高效和通用反應(yīng)使生物活性肽易于綴合到水凝膠網(wǎng)絡(luò)中，并且能夠簡單的從天然多糖，蛋白質(zhì)和合成聚合物中制備各種水凝膠。
全文鏈接：
https://academic.oup.com/nsr/advance-article/doi/10.1093/nsr/nwaa128/5856590?searchresult=1
