可注射水凝膠是一種水溶性聚合物溶液，在施加到目標環境（如人體或多孔支架）時會發生原位凝膠化。這類材料具有微創性，可以填充不規則的空腔，并且能夠同時注射藥物和生物制劑，因此對于重建手術、組織工程和藥物遞送應用來說意義重大。然而，目前的注射水凝膠存在與組織機械不匹配、脆弱、水分排出和高粘度等問題，極大地限制了其臨床應用。

為了解決這一問題，北卡羅來納大學教堂山分校的Sergei S. Sheiko、Mohammad Vatankhah-Varnosfaderani和卡內基梅隆大學Krzysztof Matyjaszewski等人設計了可同時提供柔軟性、堅固性、強度、流動性和膨脹性的瓶刷狀大分子。由此產生的水凝膠可模擬超軟組織（如脂肪和大腦）的變形響應，即承受700%的變形同時還能防止凝膠化時水分排出。鑒于其具有低細胞毒性等生物學性質，基于此所開發的材料將對重建手術、組織工程和藥物遞送應用產生重要的作用。相關工作以“Injectable bottlebrush hydrogels with tissue-mimetic mechanical properties”為題發表在Science Advances。

【文章要點】

一、三嵌段共聚物

研究以熱敏性聚乙二醇瓶刷嵌段物和聚(N-異丙基丙烯酰胺)線性嵌段物合成了親水的熱敏性線-瓶刷-線（LBL）三嵌段共聚物。在這一共聚物中，由于瓶刷嵌段的緊湊構象導致溶液粘度降低，而熱響應線性片段則允許在37°C下迅速凝膠化，因此該合成LBL共聚物有助于改善材料注射性。與目前已有的軟組織填充物設計不同，研究認為這一共聚物具有以下幾個優勢：（i）在控制水含量的條件下可模擬組織J形形變，減少了植入物和天然組織之間的機械失配；（ii）高聚合物濃度下卻展現出低粘度特性，有利于改善可注射性；（iii）該共聚物基于物理交聯，可消除化學物質對體內的滲入；（iv）機械彈性優異，可在低于1 kPa的低模量下承受高達700%的變形。

圖1 LBL共聚物的合成

二、類組織水凝膠

基于上述LBL共聚物，作者制備了兩種聚合物網絡；即在體內溫度下自組裝形成的水凝膠和隨后經過水分蒸發而形成的彈性體。這一水凝膠和彈性體都表現出類似組織的機械性能，其特點是柔軟度和硬度進行了組合優化，從而形成了典型的J形應力-應變曲線。由于聚合數f高約150以及凝膠過程的平衡性質，LBL水凝膠具有機械穩定性，可維持約700%的變形，即時破裂，也可以迅速重新結合。通過在L-結構域中加入紫外線或溫度引發的交聯劑，該可逆網絡可轉化為永久性水凝膠。體外和體內的實驗結果顯示，可注射水凝膠具有低毒性的特點（只引發輕度炎癥），既可以用作重建手術的身體填充物，也可以作為生物墨水與組織工程細胞混合使用。不僅如此，這一大分子材料也有望在特定形狀物體（如器官）的增材制造方面發揮重要的作用。

圖2 類組織的熱敏性水凝膠和彈性體