可注射水凝胶是一种水溶性聚合物溶液，在施加到目标环境（如人体或多孔支架）时会发生原位凝胶化。这类材料具有微创性，可以填充不规则的空腔，并且能够同时注射药物和生物制剂，因此对于重建手术、组织工程和药物递送应用来说意义重大。然而，目前的注射水凝胶存在与组织机械不匹配、脆弱、水分排出和高粘度等问题，极大地限制了其临床应用。

为了解决这一问题，北卡罗来纳大学教堂山分校的Sergei S. Sheiko、Mohammad Vatankhah-Varnosfaderani和卡内基梅隆大学Krzysztof Matyjaszewski等人设计了可同时提供柔软性、坚固性、强度、流动性和膨胀性的瓶刷状大分子。由此产生的水凝胶可模拟超软组织（如脂肪和大脑）的变形响应，即承受700%的变形同时还能防止凝胶化时水分排出。鉴于其具有低细胞毒性等生物学性质，基于此所开发的材料将对重建手术、组织工程和药物递送应用产生重要的作用。相关工作以“Injectable bottlebrush hydrogels with tissue-mimetic mechanical properties”为题发表在Science Advances。

【文章要点】

一、三嵌段共聚物

研究以热敏性聚乙二醇瓶刷嵌段物和聚(N-异丙基丙烯酰胺)线性嵌段物合成了亲水的热敏性线-瓶刷-线（LBL）三嵌段共聚物。在这一共聚物中，由于瓶刷嵌段的紧凑构象导致溶液粘度降低，而热响应线性片段则允许在37°C下迅速凝胶化，因此该合成LBL共聚物有助于改善材料注射性。与目前已有的软组织填充物设计不同，研究认为这一共聚物具有以下几个优势：（i）在控制水含量的条件下可模拟组织J形形变，减少了植入物和天然组织之间的机械失配；（ii）高聚合物浓度下却展现出低粘度特性，有利于改善可注射性；（iii）该共聚物基于物理交联，可消除化学物质对体内的渗入；（iv）机械弹性优异，可在低于1 kPa的低模量下承受高达700%的变形。

图1 LBL共聚物的合成

二、类组织水凝胶

基于上述LBL共聚物，作者制备了两种聚合物网络；即在体内温度下自组装形成的水凝胶和随后经过水分蒸发而形成的弹性体。这一水凝胶和弹性体都表现出类似组织的机械性能，其特点是柔软度和硬度进行了组合优化，从而形成了典型的J形应力-应变曲线。由于聚合数f高约150以及凝胶过程的平衡性质，LBL水凝胶具有机械稳定性，可维持约700%的变形，即时破裂，也可以迅速重新结合。通过在L-结构域中加入紫外线或温度引发的交联剂，该可逆网络可转化为永久性水凝胶。体外和体内的实验结果显示，可注射水凝胶具有低毒性的特点（只引发轻度炎症），既可以用作重建手术的身体填充物，也可以作为生物墨水与组织工程细胞混合使用。不仅如此，这一大分子材料也有望在特定形状物体（如器官）的增材制造方面发挥重要的作用。

图2 类组织的热敏性水凝胶和弹性体