自修复水凝胶在生物医学应用中受到了广泛关注，因为它们能够自主修复损伤，模仿生物组织的自然愈合过程[1]、[2]、[3]、[4]、[5]、[6]。这些材料在组织工程、药物递送和可穿戴传感器中特别有价值，因为自修复能力提高了耐用性和可靠性。在创建自修复水凝胶的各种方法中，动态共价键（尤其是硼酸酯键）因其在中性条件下的快速形成和可逆性而备受关注[7]、[8]、[9]、[10]、[11]。此外，二硫键因其氧化还原响应性而能够可逆断裂和重组，从而在生物环境中实现自修复和可控降解[12]、[13]、[14]、[15]、[16]、[17]。
水凝胶是一种含有高水分的柔软材料，具有网络结构。它们的物理和化学性质可以针对特定应用进行精细调节，例如药物递送系统，这种材料能够封装和释放治疗剂。自修复水凝胶无需外部干预即可修复机械损伤，因此特别适合长期生物医学应用。然而，在优化自修复效率与机械强度之间的平衡方面仍存在挑战，同时还需要具备可控降解和靶向药物释放等特性。
尽管取得了显著进展，但许多报道的自修复水凝胶仍然存在修复速度慢、机械性能不足以及依赖热或光等外部刺激来触发修复的问题。例如，Khodami等人和Wang等人开发的激光触发水凝胶以及Wang等人开发的热激活系统在受控条件下表现良好，但不适用于自主应用[18]、[19]、[20]。这些限制降低了它们在组织工程等生物医学领域的实用性，因为这些领域需要材料持续工作并无需外部干预即可自我修复。许多自修复水凝胶的机械强度较弱，进一步限制了它们在需要耐久性的应用中的使用，例如必须在应力下保持完整性的组织支架。
为了克服这些挑战，水凝胶必须集成改进的自修复效率、增强的机械强度和可调的降解性能。Chen、Shao等人和Jing等人开发的双网络系统结合了可逆的共价键或非共价键与物理网络，显示出在保持快速自修复的同时平衡弹性和强度的潜力[21]、[22]、[23]。此外，用于药物递送和植入式设备等应用的水凝胶必须提供可控的降解特性，正如Mackiewicz等人所强调的，以确保材料以适当的速率降解同时保持功能[24]。这些进步将使水凝胶在组织再生和靶向药物递送等高要求的生物医学应用中更加有效。
为应对这些挑战，我们提出了一种新的聚丙烯酰胺水凝胶系统，该系统结合了硼酸酯键、二硫键和氧化细菌纤维素纳米纤维（OBCNF）。这种多组分系统旨在提高自修复性能、机械强度和降解性。硼酸酯键与二醇发生可逆相互作用，实现pH响应性自修复和可控药物释放，这对于靶向治疗应用特别有利。在本研究中，选择硝基多巴胺作为二醇，并使用儿茶酚衍生物与4-乙烯基苯基硼酸形成动态硼酸酯键，因为硝基具有吸电子作用，可将多巴胺的pKa从9降低到6.5[25]、[26]。纳米纤维素因其良好的机械强度、生物相容性和易于化学修饰而用作水凝胶复合材料的增强填料。在这些材料中，氧化细菌纤维素纳米纤维（OBCNF）特别有利，因为氧化过程将表面羟基转化为羧基，从而改善了其分散性和与聚合物网络的相互作用。OBCNF的带电表面增强了其与水凝胶基体的结合，形成了更稳定的网络和更高的有效交联度。因此，添加OBCNF改善了水凝胶的机械性能，同时减少了纳米纤维的聚集并提高了网络均匀性[27]、[28]、[29]。通过N,N'-双丙烯酰半胱氨酸（BISS）引入的二硫键作为可降解交联剂，在生理条件下可以断裂，使材料适用于需要可控降解的应用，如药物递送系统。图1 A和B展示了基于聚丙烯酰胺与动态二硫键和硼酸酯键交联并掺入氧化细菌纤维素纳米纤维（OBCNF）的水凝胶的设计和合成过程，其中x%表示OBCNF的重量百分比。
以往关于同时含有硼酸酯键和二硫键交联剂的水凝胶的报道都使用了一种包含这两种单元的单一交联剂[11]、[30]、[31]。在本研究中，我们使用硼酸酯作为一种交联剂，另一种使用含二硫键的化合物，从而得到了双重交联的单网络水凝胶。这种方法使每种键都能发挥其独特功能。通过将自修复、可调降解和可控药物释放集成到单一系统中，本研究旨在开发一个在生物材料和药物递送领域具有广泛应用的多功能水凝胶平台。所提出的系统在植入式设备、药物递送系统和运动传感器等方面具有应用潜力，解决了现有水凝胶设计中的关键问题。
