《Carbohydrate Polymers》：Glucose-sensitive and 3D-printable dynamic chitosan hydrogels from boronic acid-functionalized chitosan and gallol-functionalized chitosan
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動(dòng)態(tài)殼聚糖水凝膠的3D打印與多功能應(yīng)用
張婷瑜|陳蔡瑜|程千蒲|徐珊慧
臺灣國立大學(xué)高分子科學(xué)與工程研究所，臺北，中華民國
摘要
基于殼聚糖的水凝膠由于其生物相容性和生物活性而成為生物制造的理想候選材料；然而，由于機(jī)械穩(wěn)定性較差，它們在3D打印中的應(yīng)用受到限制，經(jīng)常導(dǎo)致打印過程中結(jié)構(gòu)崩塌。本文開發(fā)了一種自修復(fù)型殼聚糖-沒食子酸-硼酸（CGB）水凝膠墨水，通過沒食子酸功能化的殼聚糖（CG）和硼酸功能化的殼聚糖（CB）之間的動(dòng)態(tài)配位作用，實(shí)現(xiàn)了在低固體含量（2 wt%）下的優(yōu)異3D打印性能。流變學(xué)和小角X射線散射分析表明，CG或CB單獨(dú)在溶液中都能自組裝成棒狀簇。兩種功能化殼聚糖之間的動(dòng)態(tài)硼酸酯交聯(lián)形成了高度緊湊的分形網(wǎng)絡(luò)，增強(qiáng)了短程有序性，有效強(qiáng)化了所得水凝膠（CGB）。這種結(jié)構(gòu)特性賦予了其顯著的剪切稀釋行為，使其能夠通過160 μm的噴嘴擠出，并在保持形狀準(zhǔn)確性的同時(shí)制造出多達(dá)60層的堆疊結(jié)構(gòu)。這種高堆疊性和多功能響應(yīng)性使其適用于定制的視覺氧化還原傳感器和葡萄糖敏感的犧牲材料，可用于制造具有90°旋轉(zhuǎn)H形結(jié)構(gòu)的層次化微通道。
引言
水凝膠是由交聯(lián)的親水性聚合物網(wǎng)絡(luò)形成的柔軟材料（L?wenberg等人，2017年）。它們的高含水量使其結(jié)構(gòu)類似于生物組織（Horkay和Basser，2022年）。這一特性使水凝膠在生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用中具有吸引力。水凝膠的多孔結(jié)構(gòu)允許營養(yǎng)物質(zhì)交換和細(xì)胞滲透（Foudazi等人，2023年）。近年來，水凝膠也被探索作為3D打印的生物墨水（Gopinathan和Noh，2018年）。3D打印能夠制造復(fù)雜且針對患者的結(jié)構(gòu)。為了成功打印，水凝膠需要表現(xiàn)出剪切稀釋行為（Smith等人，2018年）。此外，水凝膠應(yīng)能順暢通過噴嘴并在沉積后恢復(fù)其結(jié)構(gòu)。這些性質(zhì)對于保持打印結(jié)構(gòu)的形狀至關(guān)重要。許多合成和水凝膠已被評估用于3D打印。然而，只有少數(shù)水凝膠能夠同時(shí)具備生物相容性和良好的打印性能。在大多數(shù)情況下，打印精度、機(jī)械強(qiáng)度和恢復(fù)率都不夠理想（Naghieh等人，2019年）。因此，需要新的策略來提高水凝膠在3D打印中的性能。
殼聚糖是一種從殼聚糖脫乙�；@得的天然聚合物（Iber等人，2022年）。它具有良好的生物相容性、生物降解性和抗菌性能（Ke等人，2021年）。這些優(yōu)點(diǎn)使殼聚糖在許多生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域具有應(yīng)用價(jià)值。然而，殼聚糖在中性pH值下的溶解度較低，限制了其在生理環(huán)境中的加工和應(yīng)用（Aranaz等人，2021年）。為了解決這個(gè)問題，通常會引入化學(xué)修飾來提高殼聚糖的溶解度。改性殼聚糖，如甘醇?xì)ぞ厶腔螋燃谆鶜ぞ厶�，具有更好的溶解性和柔韌性（Chen等人，2024年）。同時(shí)，用硼酸或多酚功能化的殼聚糖可以響應(yīng)pH值或葡萄糖（Elella和Kolawole，2024年）。這些修飾還促進(jìn)了動(dòng)態(tài)或非共價(jià)相互作用，有助于形成殼聚糖水凝膠。殼聚糖水凝膠已被開發(fā)用于藥物遞送、傷口敷料和組織工程（Zhao等人，2023年）。大多數(shù)殼聚糖水凝膠在機(jī)械強(qiáng)度上仍然相對脆弱（Wahba，2020年）。這些限制阻礙了它們在3D打印中的應(yīng)用。許多殼聚糖水凝膠依賴額外的聚合物、交聯(lián)劑或納米填料來增強(qiáng)機(jī)械性能，這可能會影響生物相容性或使制造過程復(fù)雜化。因此，設(shè)計(jì)一種既機(jī)械堅(jiān)固又對刺激響應(yīng)的殼聚糖水凝膠仍然是一個(gè)持續(xù)的挑戰(zhàn)。最近的研究顯著擴(kuò)展了基于殼聚糖的水凝膠的功能范圍。例如，涂有淀粉的殼聚糖水凝膠已被開發(fā)出來，以克服口服胰島素遞送的挑戰(zhàn)，有效防止胃酸消化，同時(shí)在腸道中實(shí)現(xiàn)控制釋放（Wei等人，2025年）。在結(jié)構(gòu)強(qiáng)化和生物活性遞送方面，將納米纖維素晶體和納米氣泡摻入殼聚糖網(wǎng)絡(luò)中已被證明可以增強(qiáng)機(jī)械硬度和抗氧化活性，促進(jìn)持續(xù)釋放（Javed等人，2024年）。此外，殼聚糖水凝膠的動(dòng)態(tài)性質(zhì)被利用來創(chuàng)建通過Schiff堿鍵交聯(lián)的自修復(fù)和可3D打印的系統(tǒng)，這些系統(tǒng)可用作可生物降解的pH敏感指示劑，用于智能食品包裝（Ding等人，2025年）。這些多樣化的應(yīng)用突顯了刺激響應(yīng)性和動(dòng)態(tài)化學(xué)在現(xiàn)代水凝膠設(shè)計(jì)中的關(guān)鍵作用。
動(dòng)態(tài)水凝膠是指通過可逆鍵形成交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)的水凝膠。這些鍵在環(huán)境變化下會斷裂和重新形成。常見的環(huán)境觸發(fā)因素包括pH值、溫度或葡萄糖水平（Rosales和Anseth，2016年）。在動(dòng)態(tài)鍵合中，硼酸和順式二醇之間會生成硼酸酯（Xiong等人，2021年）。含有這些鍵的水凝膠會對葡萄糖作出膨脹或收縮的反應(yīng)（Elshaarani等人，2020年）。這些特性對于生物傳感器和可控藥物遞送等應(yīng)用非常有用（Culver等人，2017年）。動(dòng)態(tài)鍵還能實(shí)現(xiàn)自修復(fù)和應(yīng)力松弛，從而提高柔韌性和耐用性（Zheng等人，2021年）。例如，動(dòng)態(tài)硼酸酯交聯(lián)的鳥苷水凝膠因其可適應(yīng)性和可逆鍵合而顯示出作為生物材料的潛力（Ghosh和Das，2023年）。此外，動(dòng)態(tài)水凝膠可以用作復(fù)雜結(jié)構(gòu)的犧牲墨水，因?yàn)樗鼈冊跀D出后能夠流動(dòng)并恢復(fù)，無需苛刻的固化過程。具體來說，通過動(dòng)態(tài)硼酸酯鍵合由聚乙二醇和殼聚糖制備的水凝膠可以用作3D打印的便捷犧牲材料（Tsai等人，2025年）。在各種殼聚糖衍生物中，殼聚糖兒茶酚、殼聚糖沒食子酸和殼聚糖多巴胺含有順式二醇。特別是殼聚糖沒食子酸具有pH敏感性，可以在弱堿性條件下從溶液轉(zhuǎn)變?yōu)樽越宦?lián)的水凝膠，從而實(shí)現(xiàn)pH依賴性的藥物釋放控制（Park等人，2023年）。同時(shí)，沒食子酸部分容易氧化，這可能進(jìn)一步促進(jìn)額外的交聯(lián)或氧化還原響應(yīng)行為，有助于設(shè)計(jì)刺激響應(yīng)系統(tǒng)（Hino和Ejima，2020年）。
殼聚糖水凝膠在創(chuàng)造響應(yīng)性材料方面具有潛力。以往的研究通常需要引入外部組分或額外聚合物來增強(qiáng)殼聚糖水凝膠的機(jī)械性能和環(huán)境響應(yīng)性（Bao等人，2019年）。然而，在保持環(huán)境響應(yīng)性和生物相容性的同時(shí)改善其結(jié)構(gòu)和強(qiáng)度仍然具有挑戰(zhàn)性。在本研究中，我們專注于純殼聚糖水凝膠系統(tǒng)，結(jié)合了兩種分別用硼酸基團(tuán)和沒食子酸基團(tuán)功能化的殼聚糖衍生物，以解決這些限制。這些修飾旨在提高機(jī)械強(qiáng)度和生物相容性，同時(shí)保留殼聚糖的固有優(yōu)勢，如生物降解性。通過沒食子酸和硼酸基團(tuán)的協(xié)同作用，這兩種殼聚糖衍生物的混合物通過氫鍵、π–π堆疊和硼酸酯形成自組裝和動(dòng)態(tài)交聯(lián)，從而形成堅(jiān)固的網(wǎng)絡(luò)。值得注意的是，這種水溶性和純殼聚糖系統(tǒng)可以直接在非常低的固體含量（例如2 wt%）下進(jìn)行3D打印，無需光固化等后處理步驟。該水凝膠不僅具有足夠的打印性能，還由于沒食子酸基團(tuán)而表現(xiàn)出作為氧化還原傳感器的潛力，以及由于硼酸酯鍵的可逆性質(zhì)而作為犧牲材料。這種基于純殼聚糖的方法有望產(chǎn)生一種機(jī)械堅(jiān)固且多功能的水凝膠，為先進(jìn)的生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用提供多樣性和生物相容性。
材料
作為基礎(chǔ)聚合物使用了殼聚糖（分子量約為310–375 kDa，脫乙酰化程度為75%），購自Sigma-Aldrich（產(chǎn)品編號419419，美國）。碳二亞胺偶聯(lián)試劑，包括N-(3-二甲基氨基丙基)-N-乙基碳二亞胺鹽酸鹽（EDC）和N-羥基琥珀酰亞胺（NHS），以及2-(N-嗎啉基)乙磺酸（MES）緩沖液，均購自Sigma（美國），用于聚合物功能化。3,4,5-三羥基苯甲酸（GA）也購自Sigma（美國）。
CG和CB的合成與表征
CB是通過EDC/NHS介導(dǎo)的偶聯(lián)反應(yīng)合成的，在此過程中，CPBA的羧基被活化形成活性中間體，隨后與殼聚糖上的伯胺基團(tuán)反應(yīng)（Cao等人，2022年）。這一過程導(dǎo)致殼聚糖主鏈與側(cè)鏈之間形成酰胺鍵，生成CPBA接枝的殼聚糖（即CB；圖1A）。同樣，CG也是通過相同的EDC/NHS化學(xué)方法制備的，成功接枝了GA。
討論
本研究開發(fā)了基于兩種殼聚糖衍生物的新型CGB水凝膠，其在低固體含量（2 wt%）下具有優(yōu)異的3D打印性能和良好的堆疊性。CGB水凝膠的獨(dú)特結(jié)構(gòu)性能可歸因于化學(xué)修飾后殼聚糖鏈的不同水行為（Chen等人，2022年）。經(jīng)過CPBA接枝后，殼聚糖鏈獲得了能夠在水中部分離子化的硼酸基團(tuán)，從而增加了鏈的溶解性。
結(jié)論
本研究成功制備了在低固體含量（2 wt%）下機(jī)械堅(jiān)固的殼聚糖水凝膠，有效解決了純殼聚糖系統(tǒng)通常缺乏足夠粘度且容易發(fā)生宏觀崩塌的問題。SAXS分析顯示，CG和CB單獨(dú)在溶液中都能自組裝。以優(yōu)化比例（3:1）混合CG和CB制備的2 wt% CGB水凝膠形成了高度緊湊的分形網(wǎng)絡(luò)（Df約為3.85）。
CRediT作者貢獻(xiàn)聲明
張婷瑜：撰寫——原始草稿、可視化、方法學(xué)、研究、數(shù)據(jù)分析、概念化。陳蔡瑜：撰寫——審稿與編輯、驗(yàn)證、監(jiān)督、方法學(xué)、研究、數(shù)據(jù)分析、概念化。程千蒲：撰寫——審稿與編輯、可視化、監(jiān)督、方法學(xué)、研究。徐珊慧：撰寫——審稿與編輯、驗(yàn)證、監(jiān)督、資源管理、項(xiàng)目協(xié)調(diào)、資金獲取。
利益沖突聲明
作者聲明他們沒有已知的財(cái)務(wù)利益或個(gè)人關(guān)系可能影響本文所述的工作。
致謝
本研究得到了臺灣國家科學(xué)技術(shù)委員會（NSTC 112-2221-E-002-057-MY3；NSTC 112-2221-E-002-056-MY3）的財(cái)政支持。作者感謝臺灣國家同步輻射研究中心（NSRRC，2025-1-169-1）和TPS 13A1光束線的員工提供的實(shí)驗(yàn)設(shè)施和技術(shù)支持。同時(shí)，也非常感謝臺灣國立大學(xué)儀器中心在NSTC資助下的支持。
