【背景介紹】

與其他刺激（例如pH和溫度）相比，光具有顯著的優勢，即可以對交聯過程進行時空控制，從而可以根據使用者要求調整水凝膠的結構和性質。光引發的交聯過程還會產生具有特定機械效能和廣泛的材料相容性的化學交聯水凝膠。儘管已證明透皮注射水凝膠，原位交聯的方法由於被面板和組織強烈吸收的紫外線（UV）或藍光的啟用而在臨床實踐中用途有限。即使使用長波長藍光觸發器，光致聚合的有效固化深度也只能達到2 mm。對於具有高黑色素含量的面板型別，真皮層的內部填充效果明顯更高。為了使光聚合有效地用於透皮注射，必須透過組織的治療性光學視窗（600-900 nm）內的光子來引發交聯，其中吸收內源性生物物種，例如血紅蛋白而黑色素則微不足道。

儘管需要長波長，光誘導的交聯，但是關於在生物環境中原位固化水凝膠的紅光活化光聚合的報道很少。Rodgers等人利用維生素B12衍生物的光引發劑，該光引發劑可在紅光（660 nm）下進行C–Co分解，生成自由基，用於聚合物交聯中的丙烯酸酯基團的聚合。但這些作者報告了對人肝癌細胞進行3D封裝的良好細胞活力，但該方法可能無法針對自由基敏感的細胞系（如成骨細胞（hFOB）和成肌細胞（C2C12））的3D培養。

【摘要】

光介導的聚合物交聯通常用於製備生物醫學應用的水凝膠。然而，大多數光聚合過程需要透過紫外線或短波長可見光活化，而紫外線或短波長可見光被面板和組織高度吸收，限制了它們在透皮引發中的用途。最近，昆士蘭科技大學Vinh X. Truong和Christopher Barner-Kowollik兩位研究人員透過醛的原位光生化引入了紅光引發的肟連線，該醛可與羥胺快速反應。顯示了透過紅光引發的真皮組織模型後面的有效聚合物交聯。光聚合條件的最佳化允許3D封裝人包皮成纖維細胞，並具有良好的封裝後細胞活力。相關論文Red-Light Driven Photocatalytic Oxime Ligation for Bioorthogonal Hydrogel Design發表在《ACS 大分子快訊》上。

【圖文解析】

作者最初合成了水溶性呋喃化合物1，並在紅光和MB存在下研究了其氧化（圖1a）。用紅光在含有MB（c = 1 mM）的水溶液（c = 10 mM）中處理化合物1，導致輻照後1小時內與呋喃部分相關的共振消失。

圖1.紅光誘導的肟連線研究。

當化合物1被包含羥胺端基3的聚乙二醇（PEG）進行光氧化時，獲得了肟加合物4，如純化聚合物的1H NMR光譜所示（圖1b）。降低MB催化劑濃度會大大增加反應時間並降低效率（圖2）。在0.1 mM（1 mol％）的MB濃度下，即使在延長的照射時間（> 5 h）下，光氧化也不會超過50％的轉化率。此外，當透過使氧氣透過溶液而使溶液被氧氣飽和時，光氧化更有效，這可能是由於所產生的單線態氧的濃度增加所致。

圖2.不同摩爾濃度的MB和氧含量的呋喃部分隨時間的函式的光催化氧化。

在確認呋喃的光催化氧化用於肟連線的有效性質後，作者嘗試將該體系應用於聚合物交聯中以形成水凝膠（圖3a）。具體來說，製備了帶有呋喃和羥胺端基的4臂PEG（分子量1萬），並透過流變學檢查了水凝膠化。選擇4臂PEG的原因是它的市售性和易於純化（該聚合物在環境溫度下為固體）。此外，據報道4-臂PEG的交聯形成具有良好機械強度的理想水凝膠網路結構。凝膠動力學表明，在紅光（625 nm，I = 20 mW cm-2）下，在c = 10 mM（聚合物前體的總濃度）和MB濃度為1 mM的情況下，聚合物溶液快速交聯（圖3b），經過約15分鐘的光處理後發生了完全膠凝。在對照反應中，未進行紅光處理的聚合物溶液未觀察到凝膠化。此外，當含有4-臂PEG-醛的溶液觀察到自發凝膠化，該溶液是透過用紅光輻照將4-臂PEG-呋喃與MB透過氧化紅光而氧化並與4-臂PEG-羥胺溶液混合而製備的。

圖3.紅燈下的聚合物交聯。

在細胞相關的應用中，該過程對細胞無毒且必須足夠快。因此，作者透過評估24小時封裝後的細胞生存力，檢查了光催化交聯方法在3D封裝人包皮成纖維細胞中的潛力。最初，研究了少量的MB（在c = 0.1 mM時），並且需要所需的照射時間（50分鐘）來固化細胞/聚合物混合物。低MB濃度的長膠凝時間（c = 0.1 mM）導致細胞活力低（約42％），觀察到一些細胞在底部積聚並顯示2D形態，例如擴散和伸長（圖4a）。具有0.3 mM的MB濃度和10分鐘的照射時間的系統，觀察到了高效的3D封裝和良好的細胞活力（約81％）（圖4b）。

圖4. 3D細胞封裝研究。

在較高的MB負載量下（c = 0.5 mM和1 mM），固化時間縮短了，但是觀察到了明顯的細胞死亡（圖4c-e），這可能是由於光氧化過程中反應性單重態氧的產生。而，以前有報道說，強度高達950 mW的紅光照射（630 nm）不會引起高於生理溫度（37°C）的溫度升高。研究中的附加照條件預計不會引起明顯的組織發熱。因此，該系統可能適合載有細胞的水凝膠的透皮遞送，而不引起人體造成不良影響。

【總結】

作者提出了一種透過呋喃部分的光氧化，然後與羥胺反應，實現紅光引發的肟連線的策略。該反應對於聚合物端基修飾和PEG的交聯對於水凝膠的產生是有效的。紅光的使用允許在厚度為0.5 cm的真皮組織模型後面引發聚合物交聯。封裝後24小時，具有良好細胞活力的成纖維細胞的凝膠化3D封裝最佳化。該策略可潛在地用於生物醫學應用中載有細胞/治療藥物的水凝膠的非侵入性植入。

參考文獻：doi.org/10.1021/acsmacrolett.0c00767