水凝胶在药物递送、再生医学和分离工程中的广泛应用主要通过其内外离子、分子或颗粒的单向传质（释放或摄取）实现，而通过不同物质在凝胶内部的竞争性结合可以实现更为复杂的功能集成。一种物质可以与水凝胶中的特定功能基团结合并包封于凝胶内部，随后被另一种来自凝胶外的对相同基团更具亲和力的物质替代。这种动态交换过程不仅导致了原本被包封物质的释放，还促进了另一种物质从外部环境的摄取。
动态交换过程的功能性可以通过控制摄取和释放阶段的速率得到进一步提升。动态过程受（1）竞争性物质与凝胶内部基团的结合和解离速率和（2）被摄取和释放物质在水凝胶内部扩散过程的动力学所影响。前者需要对分子结构进行复杂的设计，后者则可以通过调控水凝胶的孔径来实现。
基于该原理，加拿大多伦多大学Eugenia Kumacheva教授团队设计了一种具有双重孔径的胶体水凝胶以实现对竞争性结合物质的摄取与释放动力学的精确调控。凝胶中两种不同的孔径结构分别用于调节被摄取和释放物质的扩散行为：尺寸远小于大孔的物质可以快速扩散进入凝胶，而尺寸与小孔相近的物质会缓慢扩散出凝胶。该种双孔径水凝胶结构可以适用于各种竞争性结合物质，只需确保两类分子的尺寸与水凝胶的孔径存在一定的匹配关系，即可通过建立扩散速率的差异而控制动态交换过程，而无需对竞争性结合反应动力学进行复杂调控。这种方式简化了用于动态交换的水凝胶系统的设计。该研究以 “Colloidal Hydrogel with Staged Sequestration and Release of Molecules Undergoing Competitive Binding”为题发表在最新一期《ACS Nano》上。多伦多大学化学工程系博士生黄宇航为本文的第一作者。
图1. 双孔径胶体水凝胶用于控制摄取和释放不同分子的示意图
作者首先制备了由带有季胺基团的接枝共聚物，其通过离子交联形成了具有纳米级孔径的微凝胶颗粒。这些微凝胶颗粒进一步通过与聚乙二醇的化学交联形成了具有亚微米级孔径的宏观凝胶结构。微凝胶颗粒内部的纳米级孔径可通过调节离子交联密度和聚合物体积分数来实现控制。而对于宏观凝胶中亚微米孔的控制则通过控制聚合物交联密度和微胶粒的体积分数来实现。
图2. 双孔径胶体水凝胶的制备及孔径调控
作为案例研究，作者选择了寡脱氧核苷酸（ODN）和人类表皮生长因子（hEGF）两种生物分子。这两种生理环境下带负电的分子表现出对水凝胶内部带正电季胺基团不同的结合常数，使得它们可以在水凝胶内部进行动态交换。作者展示了双孔径水凝胶可以通过亚微米孔快速摄取水凝胶外部溶液中的ODN，并且通过纳米孔缓慢释放被包封在微胶粒中的hEGF。
图3. 双孔径胶体水凝胶的ODN摄取和hEGF释放曲线
在慢性伤口的愈合过程中，对伤口部位过量ODN的清除可以减轻炎症反应，而hEGF的持续释放能够促进组织修复，最终加速伤口愈合。作者评估了由双孔径水凝胶所实现的ODN和hEGF动态交换对伤口愈合的影响，并发现水凝胶对ODN的快速摄取有能效降低巨噬细胞TLR9受体的激活以及促炎细胞因子TNF-α和IL-6的分泌，从而显著抑制了TLR9介导的炎症反应。此外，该水凝胶能通过缓慢释放hEGF以促进人类皮肤成纤维细胞的增殖和迁移，并提升胶原蛋白和纤连蛋白等细胞外基质蛋白的合成，从而可以加速伤口愈合。
这项研究通过提出一种新型双孔径水凝胶的设计方案，为控制动态交换过程中不同阶段的速率提供了一种简洁而高效的手段。这种设计不仅简化了动态交换水凝胶系统的设计，还可以广泛应用于控制不同竞争性结合分子的动态交换过程，极大地扩展了水凝胶在生物医药、环境科学和材料科学中的应用潜力。
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来源：高分子科学前沿
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