可注射又可3D打印！葡萄糖敏感型水凝膠登 Carbohydr. Polym

來源：EngineeringForLife

殼聚糖基水凝膠引起了人們對生物制造的興趣。然而，它們較差的水溶性和脆性導致機械穩(wěn)定性較弱，限制了它們在3D打印中的應用。

近期，臺灣大學Shan-hui Hsu團隊合成了取代度~25%的羧基苯基硼酸接枝殼聚糖（CB）聚合物。受簡便可控的硫醇-烯點擊化學的啟發(fā)，進一步開發(fā)了一種使用自組裝CB簇作為交聯劑以證明3D打印性增強的 PEG-殼聚糖硼酸（PB）水凝膠。CB交聯水凝膠憑借其葡萄糖響應性、生物相容性、可調性能和3D可打印性，可作為葡萄糖傳感的可加工材料或易于移除的犧牲層制造材料。

相關研究成果以“Self-assembled chitosan‑boronic acid hydrogel as dynamic crosslinker to produce 3D-printable glucose-sensitive hydrogel”為題于2025年5月13日發(fā)表在《Carbohydrate Polymers》上。

1. CB聚合物的合成與表征
首先，研究者通過EDC/NHS化學方法，將4-羧基苯硼酸（CPBA）接枝到殼聚糖上，成功合成了具有約25%取代度的殼聚糖-硼酸（CB）聚合物。核磁共振（1H NMR）譜圖、紫外-可見光譜（UV-vis）和傅里葉變換紅外光譜（FTIR）有力地證明了CPBA通過羧酸與殼聚糖胺基的縮合反應成功接枝到殼聚糖上，形成了CB聚合物，同時顯著提升了殼聚糖的水溶性，為后續(xù)的水凝膠制備和應用奠定了基礎（圖1）。

圖1 CB聚合物的合成與表征

2. 不同固含量CB水凝膠的流變性能
隨后，研究者通過動態(tài)頻率掃描實驗分析了不同固含量的CB水凝膠的流變性質。結果表明，低固含量（0.2%、0.5%、1%）的CB水凝膠表現出較弱的凝膠特性，其儲能模量（G'）和損耗模量（G''）在低頻時較小，且G'隨頻率增加迅速上升，表明其結構較弱（圖2）。而高固含量（2%、3%、4%）的CB水凝膠則表現出相對穩(wěn)定的G'和G''，表明其具有更強的彈性行為和更穩(wěn)定的凝膠結構。此外，高固含量的CB水凝膠在應變-模量測試中表現出自愈行為，其中3%的CB水凝膠在應變誘導的損傷和愈合循環(huán)中表現出可逆的凝膠-溶膠-凝膠轉變（圖3）。這些結果表明，CB水凝膠的流變性質隨固含量的增加而顯著增強，為其在3D打印和生物醫(yī)學應用中的潛在應用提供了重要信息。

圖2 不同濃度下CB水凝膠的流變性能

圖3 高含量組CB水凝膠的應變依賴流變性能

3. 通過相干SAXS分析CB水凝膠的微結構
之后，研究者利用相干小角X射線散射（SAXS）技術分析了不同固含量CB水凝膠的微觀結構。結果表明，低固含量（1 wt%）的CB水凝膠表現出較為均勻的分散鏈結構，其散射曲線呈現單調下降趨勢（圖4A）。隨著CB固含量的增加（2 wt%和3 wt%），散射強度顯著增強，并在SAXS曲線中出現肩峰，這表明CB聚合物逐漸聚集形成特定尺寸的聚集物（約7 nm）。此外，在應變作用下，3 wt% CB水凝膠的微觀結構更容易被破壞，其SAXS曲線變得更為陡峭，肩峰變得不明顯（圖4B-D）。圖4E展示了CB水凝膠內部聚集物形態(tài)隨固含量增加的變化趨勢。這些結果揭示了CB水凝膠在不同固含量下的微觀結構特征及其在應變下的結構變化。

圖4 不同濃度下CB水凝膠的相干SAXS譜圖

4. CB作為新型交聯劑制備具有獨特流變和力學性能的葡萄糖敏感聚乙二醇-殼聚糖硼酸酯(PB)水凝膠

隨后，研究者以CB（殼聚糖-硼酸）為新型交聯劑，用于制備具有獨特流變和機械性能的葡萄糖敏感型聚乙二醇-殼聚糖硼酸酯（PB）水凝膠。通過將CB與聚乙二醇（PD）反應形成硼酸酯鍵，構建了動態(tài)化學網絡（圖5）。含硼酸酯的 PEG-殼聚糖動態(tài)網絡水凝膠（簡稱 PB 水凝膠）具有抗蠕變、延展性（高度拉伸）、自修復和葡萄糖敏感的特性。

圖5 自組裝CB水凝膠和CB作為新型交聯劑形成葡萄糖敏感動態(tài)水凝膠（PB）的示意圖

研究發(fā)現，隨著CB濃度的增加，PB水凝膠的儲能模量（G'）顯著提高，表明其機械強度增強（圖6）。PB2.5水凝膠需要更高的應變才能轉變?yōu)槿苣z狀態(tài)，表明其內部網絡結構更加堅韌.此外，它還具有自修復行為。

圖6 PEG-CB交聯水凝膠PB2.5的流變學性質

5. 通過相干小角X射線散射分析PB水凝膠的微觀結構
然后，研究者利用相干小角X射線散射（SAXS）技術分析了不同CB交聯劑濃度的PB水凝膠的微觀結構。結果表明，隨著CB濃度的增加，PB水凝膠的散射曲線斜率變得更陡峭，表明網絡交聯密度增加（圖7A）。圖7B展示了PB水凝膠內部網絡架構隨CB濃度增加的演變示意圖，顯示了聚合物網格在交聯點增加時被拉伸成更三維的結構。這些結果表明，CB交聯劑濃度的增加不僅增強了PB水凝膠的網絡結構，還促進了更大聚集物的形成，從而提高了水凝膠的機械強度和穩(wěn)定性。

圖7 不同濃度的CB交聯劑下，PEG-CB交聯水凝膠（PB）在 25°C時的相干SAXS譜圖

6. PB水凝膠的犧牲性能和葡萄糖敏感性
然后，研究者評估了PB水凝膠的可犧牲性能和葡萄糖敏感性。ARS染料與CB的硼酸基團結合后，在葡萄糖存在下會發(fā)生顏色變化，隨著葡萄糖濃度增加，顏色從淡黃色逐漸變?yōu)槌壬�或粉色（圖8A）。通過UV-vis光譜分析，建立標準曲線，證實了PB2.5水凝膠對葡萄糖的敏感性（圖8B）。這些結果表明，PB水凝膠具有良好的葡萄糖響應性，可作為葡萄糖檢測的潛在材料。

圖8 PB2.5水凝膠的葡萄糖敏感性

7. PB2.5水凝膠的注射性和3D可打印性
最后，研究者評估了PB2.5水凝膠的可注射性和3D打印性能。實驗表明，PB2.5水凝膠能夠通過27G（內徑約210 μm）的注射針頭順利擠出，而對照組水凝膠（由小分子硼砂交聯）在擠出后膨脹且表面不連續(xù)，1分鐘內失去形狀并合并（圖9A）。此外，PB2.5水凝膠成功用于3D打印，打印出的網格狀平方圖案的微通道寬度約為360 μm，膨脹比約為170%（圖9C）。PB2.5水凝膠展現出良好的堆疊能力，打印后能保持超過95%的原始設計高度（1.2 cm）（圖9D）。這些結果證明了PB2.5水凝膠具有優(yōu)異的可注射性和3D打印性能，適用于生物制造應用。

圖9 PB2.5交聯水凝膠的可注射性和三維印刷性

綜上，本文通過將CPBA接枝到殼聚糖上合成了取代度為~25%的聚合物。CB聚合物可以通過氫鍵、π–π堆積和陽離子–π相互作用等協同作用進行自組裝。SAXS譜圖表明，CB自組裝水凝膠的完整性可能源于由超分子力驅動的簇形成（~7 nm）。除了自組裝之外，將線性PD聚合物摻入CB水凝膠中可以提高結構脆性，同時通過交聯增強延展性。PB水凝膠的動態(tài)、剪切稀化、自修復和彈性特性促進了連續(xù)細絲沉積和3D打印過程中的結構完整性。SAXS分析進一步揭示了PB動態(tài)基質內物理簇（~9.4–17 nm）的形成，顯著增強了3D堆疊性而無需后處理加固。PB水凝膠憑借其延展性、韌性和固有的3D堆疊性，成為了一種獨特的葡萄糖敏感性和3D可打印材料，適用于生物醫(yī)學應用。

參考資料：https://doi.org/10.1016/j.carbpol.2025.123737