来源:Polymers 发布时间:2021/5/21 18:42:30
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中国石油大学曹美文副教授团队:面向生物医学应用的热响应性聚 (N-异丙基丙烯酰胺) 复合水凝胶 | MDPI Polymers

论文标题:Poly(N-isopropylacrylamide)-Based Thermoresponsive Composite Hydrogels for Biomedical Applications

期刊:Polymers

作者:Xiaomin Xu, Yang Liu, Wenbo Fu, Mingyu Yao, Zhen Ding, Jiaming Xuan, Dongxiang Li, Shengjie Wang, Yongqing Xia and Meiwen Cao

发表时间:5 March 2020

DOI:10.3390/polym12030580

微信链接:

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期刊链接:https://www.mdpi.com/journal/polymers

原文作者简介

曹美文

中国石油大学 (华东)

曹美文博士,现任中国石油大学 (华东) 副教授,中国化学会/化工学会会员,主要研究领域包括新型两亲生物分子体系的开发及其功能、纳米生物材料的制备与应用、表面活性剂及纳米材料在油田化学及日化等领域的应用。

基于聚 (N-异丙基丙烯酰胺) (PNIPAM) 的温敏水凝胶在生物医学领域具有巨大的应用潜力 (图1),但其有机械强度低、载药量有限、生物降解性差等不足。因此,通过有针对性的策略设计,将PNIPAM与其它功能组分复合形成杂化水凝胶来弥补PNIPAM水凝胶自身的不足之处是一个重要的研究方向,对其实际应用大有裨益。来自中国石油大学 (华东) 的曹美文副教授及其团队在Polymers期刊上发表文章,结合近期研究进展,对基于聚 (N-异丙基丙烯酰胺) 的复合水凝胶的设计制备及其在生物医学领域的应用进行了综述。

图1. PNIPAM基复合水凝胶的应用领域及性能

本文结合近期研究进展,对基于PNIPAM的复合水凝胶的设计制备及其在生物医学领域的应用进行了综述,以期对相关领域的研究提供参考。综述内容涵盖了体系设计策略、材料选择、性能调控的一般原则等方面,重点介绍了基于PNIPAM的水凝胶在药物递送、组织工程和伤口敷料等几个领域的应用;详细阐述了几个有效的复合水凝胶制备和性能调控策略,包括功能性无机纳米颗粒或自组装结构的引入、其它功能性聚合物的嵌段连接等。这些策略可以提高水凝胶的机械强度,改善其生物相容性和生物降解性,引入刺激响应性,提高其载药量并控制其释放过程等,这些方面性能的提升对促进PNIPAM基复合水凝胶在生物医药领域的应用有重要意义。

图2为Berke等的研究[1],结果显示,通过将氧化石墨烯纳米片层引入PNIPAM水凝胶形成交联结构,可以大幅度提高水凝胶的力学性能。

图2. (A) PNIPAM和 (B) GO/PNIPAM复合凝胶的结构示意图。(C) GO/PNIPAM复合凝胶在20 ℃纯水中的平衡溶胀度和弹性模量[1]。

图3为我们自己的工作[2],通过将多肽 (I3K) 自组装纤维引入PNIPAM水凝胶,制备了温度敏感性的可逆“溶胶–凝胶”体系,多肽自组装结构的引入还可以提高抗菌肽的负载量并控制其释放过程,对于抗菌水凝胶敷料的设计和制备有重要参考价值。

图3. (A) 肽/PNIPAM复合水凝胶的制备及抗菌肽G(IIKK)3I-NH2的负载和控释。(B) 肽自组纤维/PNIPAM复合水凝胶的网络结构随温度变化的示意图[2]。

可注射水凝胶在骨组织工程中有重要应用[3]。Wu等制备了可用于骨组织工程的NIPAAm-g-壳聚糖复合水凝胶 (图4),通过壳聚糖片段的引入大幅度提高了水凝胶的力学性能,改善了其生物相容性和生物可降解性[4]。

图4. (A) 制备可用于骨组织工程的可注射水凝胶的方法示意图[3]。(B) NIPAAm-g-壳聚糖共聚物的合成路线[4]。

Tong等通过功能性氮化硼纳米片、黏土和PNIPAM的交联制备了复合水凝胶 (图5),不仅大幅度提高了水凝胶的力学性能,还使水凝胶具有优良的黏附性能,在手臂、铝、铜、铁、塑料、玻璃、聚乙烯和橡胶等材料上都具有很强的粘附能力[5],有望用作敷料材料。

图5. (A) f-BNNS/粘土/PNIPAM三元网络水凝胶形成的示意图。(B) 水凝胶在手臂、铝、铜、铁、塑料、玻璃、聚乙烯和橡胶上的粘附能力[5]。

结论和展望

基于PNIPAM的热敏水凝胶在生物医学的诸多领域显示出巨大的应用潜力。尽管单纯的PNIPAM水凝胶具有机械强度低、载药量有限、生物降解性低等缺点,但可以通过与其它组分复配形成复合水凝胶来弥补这些不足,极大地促进了PNIPAM基水凝胶的实际应用。目前,基于PNIPAM的水凝胶在生物医学应用方面仍存在一些问题和挑战,比如,实际的生物医学应用通常面临复杂的环境条件,这对水凝胶的性能提出了非常苛刻的要求。此外,在推动PNIPAM基水凝胶临床应用的过程中,必须进行更多的临床前毒理学和病理学研究,以详细了解和控制其生理稳定性、毒性、免疫反应、药代动力学以及生物降解和消除等。

Xu, X.; Liu, Y.; Fu, W.; Yao, M.; Ding, Z.; Xuan, J.; Li, D.; Wang, S.; Xia, Y.; Cao, M. Poly(N-isopropylacrylamide)-Based Thermoresponsive Composite Hydrogels for Biomedical Applications. Polymers 2020, 12, 580.

参考文献:

1. Berke, B.; Czakkel, O.; Porcar, L.; Geissler, E.; László, K. Static and dynamic behaviour of responsive graphene oxide–poly (N-isopropyl acrylamide) composite gels. Soft Matter 2016, 12, 7166–7173.

2. Cao, M.; Wang, Y.; Hu, X.; Gong, H.; Li, R.; Cox, H.; Zhang, J.; Waigh, T.A.; Xu, H.; Lu, J.R.J.B. Reversible Thermoresponsive Peptide–PNIPAM Hydrogels for Controlled Drug Delivery. Biomacromolecules 2019, 20, 3601–3610.

3. Liu, M.; Zeng, X.; Ma, C.; Yi, H.; Ali, Z.; Mou, X.; Li, S.; Deng, Y.; He, N. Injectable hydrogels for cartilage and bone tissue engineering. Bone Res. 2017, 5, 17014.

4. Wu, S.W.; Liu, X.; Miller, A.L., 2nd; Cheng, Y.S.; Yeh, M.L.; Lu, L. Strengthening injectable thermo-sensitive NIPAAm-g-chitosan hydrogels using chemical cross-linking of disulfide bonds as scaffolds for tissue engineering. Carbohyd. Polym. 2018, 192, 308–316.

5. Tong, X.; Du, L.; Xu, Q. Tough, adhesive and self-healing conductive 3D network hydrogel of physically linked functionalized-boron nitride/clay/poly (N-isopropylacrylamide). J. Mater. Chem. A 2018, 6, 3091–3099.

Polymers (ISSN 2073-4360, IF 3.426) 是一个国际型开放获取英文学术期刊,研究范围涵盖与聚合物研究相关的各个方面。https://www.mdpi.com/journal/polymersPolymers目前已被SCIE,Scopus,PubMed等重要数据库收录。期刊采用单盲高标准同行评审制,一审周期平均为11.5天,文章从接收到发表平均仅2.7天。

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