氧化还原响应性光聚合PEG基水凝胶：多功能化、3D打印及用于蛋白质释放的按需降解

近年来，氧化还原响应性聚合物材料在生物医学应用中的使用日益增多。在这方面，聚乙二醇（PEG）聚合物的光聚合已被广泛探索用于制备本体和3D打印水凝胶，应用于治疗和诊断领域。本研究中，研究人员采用模块化方法从市售线性PEG获得了含二硫键的PEG基交联剂，并将其用于制备氧化还原响应性本体和3D打印凝胶，这些凝胶能够包封蛋白质并在还原条件下按需释放。此外，二硫键的部分降解通过硫醇-马来酰亚胺和硫醇-二硫键交换化学实现了简便的功能化，如荧光染料的可逆和不可逆附着所证明。此外，所获得的水凝胶及其降解产物表现出高细胞相容性，如对培养成纤维细胞进行的细胞毒性和活/死测定所证实。可以预见，这种操作简单的制备多功能氧化还原响应性水凝胶的策略将使其能够适应生物医学科学的各个领域。

**研究背景与问题**：聚合物材料在生物医学应用中通过可控设计调控其与生物体系的相互作用至关重要。水凝胶作为交联软材料，因其高含水量和可调性能而被广泛使用。聚乙二醇（PEG）基水凝胶因高生物相容性和机械稳定性备受关注，但传统光聚合PEG水凝胶缺乏可降解性及细胞粘附性。为扩展其应用，需引入刺激响应性动态交联，其中氧化还原响应性二硫键交联可实现在温和条件下按需降解及生物分子释放。现有小分子二硫交联剂（如DSDMA）导致网络紧密、溶胀受限，且因低分子量液态性质难以用于挤出3D打印。虽有研究者使用长链PEG二硫交联剂，但其合成依赖异端基PEG，步骤复杂。因此，需一种更简单、模块化的方法制备大分子二硫交联剂，以实现可光聚合、可3D打印的氧化还原响应性水凝胶。本工作旨在开发此类水凝胶，并探索其在蛋白质控释、后功能化及按需降解3D打印支架中的应用。论文发表在《RSC Applied Polymers》。

**关键技术方法**（不超过250字）：研究人员采用模块化方法，通过市售线性PEG（4 kDa）与含二硫键的甲基丙烯酸酯酸（HEMA-SS）进行DCC/DMAP偶联，合成二硫键端基PEG大分子交联剂（PEGDMASS）。以Li苯基-2,4,6-三甲基苯甲酰膦酸盐（LAP）为光引发剂，在365 nm UV（10 mW cm^-2）下光聚合含PEGDMASS、PEG甲基醚甲基丙烯酸酯（PEGMEMA）及非降解交联剂PEG二甲基丙烯酸酯（PEGDMA）的水溶液，制备系列水凝胶（HG-1100、HG-250、HG-325、HG-40）。通过调节PEGDMASS与PEGDMA比例调控性能。采用1,4-二硫代-DL-苏糖醇（DTT）或谷胱甘肽（GSH）实现还原降解。通过部分降解生成游离巯基，用于硫醇-马来酰亚胺（不可逆）或硫醇-二硫键交换（可逆）后功能化。加入结冷胶（GG，1.5% wt/v）作为粘度调节剂，用于挤出式3D打印（20G针头，12–15 kPa，1 mm s^-1）。以L929小鼠成纤维细胞进行CCK-8及活/死染色评估细胞相容性。

**研究结果**：
- **Synthesis of a disulfide-containing PEG-dimethylacrylate (PEGDMASS) crosslinker**：通过DCC/DMAP偶联合成PEGDMASS，经¹H NMR、¹³C NMR、FTIR及GPC确认结构，端基官能化导致分子量增加，δ 5.15和6.13 ppm处双键质子峰及δ 2.70 ppm处二硫键相邻质子峰证实成功修饰。
- **Fabrication and characterization of hydrogels**：光聚合制备系列水凝胶。基于含PEGDMASS的HG-1100（20% wt/v）与非降解HG-40（20% PEGDMA）比较：HG-1100溶胀率（Wup）为HG-40的四倍以上，归因于PEGDMASS高分子量增强网络柔性和水吸收。含不同量PEGDMASS的HG-250（10%）与HG-325（5%）比较：HG-325溶胀率约为HG-250的三倍，表明可调溶胀。Ellman's实验证实UV交联未断裂二硫键。SEM显示HG-40为光滑无孔结构，而含PEGDMASS的水凝胶呈多孔形态。
- **Redox-responsive degradation of hydrogels**：流变学测试表明，HG-1100在PBS中存储模量（G′）稳定2小时，而在10 mM DTT中G′显著下降，证实二硫键还原裂解；HG-40在DTT中稳定。FITC-BSA蛋白释放实验：HG-1100在1 mM DTT中48小时完全溶解并显著释放，远高于PBS被动释放（27.2%）；在10 mM GSH（模拟胞内条件）下释放达49.3%，而在10 μM GSH（模拟胞外）下为35.2%，显示按需释放。比较不同水凝胶：在DTT中，含PEGDMASS的水凝胶释放显著高于非降解组。
- **Post-gelation functionalization of hydrogels**：HG-325经1 mM DTT短暂处理生成游离巯基，与TAMRA-马来酰亚胺（不可逆）或吡啶基二硫化物（PDS）活化后与SAMSA荧光染料（可逆）反应。荧光显微镜证实成功偶联，且经DTT处理可切除非共价结合的SAMSA。HG-40（缺二硫键）无荧光，证明功能化依赖于二硫键。
- **Biocompatibility of hydrogels**：CCK-8及活/死染色表明，HG-1100（1 mg mL^-1）及其降解产物对L929细胞均无显著细胞毒性，细胞活力与对照组类似。
- **Printing of degradable hydrogels**：加入GG后，HG-250（含10% PEGDMASS）表现出适宜流变行为（屈服点和流动点），可挤出打印出20×20×3 mm五层网格结构，UV交联后保持形状。在100 mM DTT还原条件下，打印支架快速降解；在中性DI-H₂O中7天质量损失仅0.2%，显示高稳定性。

**总结讨论与结论翻译**：研究人员成功合成了一种氧化还原响应性PEG-二甲基丙烯酸酯交联剂，并展示了其在调控水凝胶机械和降解性能中的实用性。含二硫键交联剂的引入使水凝胶具有可调的溶胀行为、力学性能和降解动力学，并在还原条件下实现了蛋白质的按需释放。此外，二硫键的部分降解提供了含巯基的反应性水凝胶，可通过硫醇-二硫键和硫醇-马来酰亚胺化学分别进行可逆和不可逆共轭。总体而言，这些发现突出了所公开含二硫键交联剂在工程化刺激响应性水凝胶方面的潜力，此类水凝胶可在生物医学科学中找到应用。