水凝膠具有優異的自適應性和生物相容性，被廣泛應用於可植入設備領域。在水凝膠中引入離子交聯、共價交聯或互穿聚合物網絡結構，既保證了其力學強度，又賦予了其延展性能，這使水凝膠在動態環境中的應用變得可行。從組織工程到藥物載體，水凝膠已經被廣泛應用於人體。目前，在體內驅動或降解這些水凝膠大多依賴於熱、pH、磁或化學刺激來實現。它們或多或少都有些缺點。例如熱刺激可能會對周圍組織產生負面影響，磁刺激可能會干擾醫學成像，pH刺激受到的空間限制較大，而化學刺激需要與材料接觸，難以在體內實現。因此，我們迫切需要能夠控制體內水凝膠動態過程的非接觸性的刺激響應模式。
光刺激能夠克服很多不足，這促使人們設計一種可光觸發的水凝膠，用作植入式設備的觸發器。這種水凝膠適用於全身，但在胃腸道（GI）的應用尤其令人感興趣，因為在胃腸道中，由於特定的環境和溫度，某些pH、化學和熱的刺激可能會產生毒副作用，胃腸的特殊結構也限制了外部磁刺激。但是，我們可以通過內窺鏡等方式向裡面傳遞光，因此可以通過光實現對水凝膠的觸發，賦予植入式GI設備獨特的動態調節功能。
在聚合物骨架中引入偶氮苯、螺苯並吡喃、香豆素和硝基苄基基團等可實現聚合物的光響應，其中，硝基苄基衍生的官能團是最適合體內應用的，因為它在響應後形成的降解產物沒有毒副作用，有良好的生物相容性。大量研究表明，使用丙烯酸酯鄰硝基苄基（oNB）聚合的聚乙二醇（PEG）水凝膠網絡可以在藍光（365-405 nm）下觸發，並且材料本身和產生的降解副產物是具有生物相容性的。
但是到目前為止，由於這些材料的低彈性和低強度，將它們用於體內還有一定差距。因此，我們需要開發一種強度高、生物相容性好、具有本體響應功能的可光降解水凝膠，實現體內的動態調控。
近日，麻省理工學院的Giovanni Traverso教授課題組合成了一種可光降解3D水凝膠網絡，並將其作為體內植入設備進行了簡單應用。他們在光響應oNB鏈的兩端用丙烯酸酯結構封端，oNB在光引發下會發生降解，丙烯酸酯基團為聚合物網絡提供了良好的機械性能，oNB可以與丙烯酸酯結構以不同比例混合，實現從部分降解到完全降解的調控。
圖1 光降解水凝膠的合成
作者對水凝膠進行了機械性能和生物相容性的表征。之前有研究表明，聚丙烯醯胺（PAAM）和聚（2-丙烯醯胺基-2-甲基丙烷磺酸）（PAMPS）互穿網絡的機械性能強，具有生物相容性，已被提議作為體內人工軟骨的替代材料，而且它們不吸收300-800 nm波長的光，這使它們可用來製備具有光降解特性的材料的骨架。作者研究發現，光響應性雙網絡oNB-PAMPS/PAAM凝膠比單網絡oNB-PAAM和oNB-PAMPS強約12倍，壓縮模量也適合在人體胃腸中使用。細胞活性實驗證明材料具有良好的生物相容性。
圖2 水凝膠機械性能和生物相容性表征
隨後，作者測試了水凝膠的可調控光響應行為。他們通過控制光源的強度和樣品與光源的距離，實現了不同的光照條件。通過流變測試監測了oNB水凝膠光響應的動態降解過程。結果發現，光照強度、光的波長、oNB與丙烯酸酯結構的配比都可影響材料的降解能力。同時他們也證明了降解產物也具有細胞相容性。
圖3 光觸發水凝膠的降解
作者將這種光降解水凝膠在體內減肥球和食道支架兩個方向進行了應用。減肥球在胃中可以讓肥胖患者產生飽腹感（畢竟美國的肥胖患者很多），從而減少食量達到減肥的效果，但是傳統的減肥球需要藉助內窺鏡移除，增加了患者的負擔，而使用了這種水凝膠之後，光照一下就可以讓它降解，十分簡便。在食道支架的應用中，水凝膠提供了潛在的結構支持和局部藥物輸送作用，這種材料在發揮作用後可在光照下降解，不會因為移除而對食道黏膜造成損害。這一發現也為動態植入式設備的應用提供了新的思路。
圖4 光降解水凝膠在體內的應用
https://advances.sciencemag.org/content/6/3/eaay0065
來源：高分子科學前沿
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