降解過(guò)程不變形的“零滲透壓”凝膠

       如果你曾經(jīng)學(xué)習過(guò)高分子科學(xué)的相關(guān)課程，那么，你一定和我一樣上過(guò)一門(mén)令人頭痛的專(zhuān)業(yè)課：高分子物理。鏈構象、相分離、自由體積、Flory-Huggins參數，光是這些名詞就足以一臉茫然。盡管如此，來(lái)自東京大學(xué)的Hiroyuki Kamata博士和Takamasa Sakai教授等人，卻用這些基本的高分子物理學(xué)概念，為我們上了一節有趣的髙物課。最近，他們在《德國應用化學(xué)》雜志上發(fā)表了一篇題為“Non-Osmotic Hydrogels: A Rational Strategy for Safely Degradable Hydrogels”的研究論文，巧妙的將高分子溶液的基本概念應用到了可降解生物凝膠的制備中（Angew. Chem. Int. Ed., 2016, DOI: 10.1002/anie.201602610）。
 
       可降解凝膠在生物醫學(xué)領(lǐng)域有著(zhù)重要的應用前景，它們可以被用于組織修復、藥物緩釋等諸多領(lǐng)域。然而，傳統的可降解水凝膠面臨著(zhù)一個(gè)嚴重的問(wèn)題：在降解的過(guò)程中會(huì )發(fā)生溶脹，導致凝膠膨脹變形。這種變形可能會(huì )壓迫周?chē)纳窠?jīng)、組織，帶來(lái)嚴重的副作用。因此，制備在降解過(guò)程中不發(fā)生明顯形變的凝膠對于該類(lèi)材料的應用具有重要意義。要解決這個(gè)問(wèn)題，我們首先要了解凝膠降解過(guò)程中為什么會(huì )發(fā)生膨脹。
 
        一般來(lái)說(shuō)，組成凝膠的聚合物往往具有良好的水溶性，因此，如果將沒(méi)有交聯(lián)的聚合物放入水中，他們會(huì )發(fā)生溶解、擴散，最終形成均勻的聚合物溶液。而凝膠，就是利用物理或化學(xué)作用，將這些聚合物鏈“栓”在一起，形成一個(gè)網(wǎng)絡(luò )，“強迫”聚合物鏈不發(fā)生擴散。由于凝膠內部的聚合物鏈“濃度”較大，其滲透壓（摩爾濃度滲透壓，摩爾滲透壓）遠遠高于周?chē)娜芤�，因此當把一塊凝膠放入水中的時(shí)候，水分子在滲透壓（摩爾濃度滲透壓，摩爾滲透壓）差的驅動(dòng)下擴散進(jìn)凝膠內部（也可以理解為聚合物鏈“想要”擴散到水中），這一過(guò)程被稱(chēng)作“溶脹”。另一方面，由于聚合物鏈被連接成網(wǎng)絡(luò )以防彼此“失散”，凝膠中的聚合物鏈往往比自由溶解的聚合物鏈拉伸程度更高，分子鏈“彈性”導致的壓力與滲透壓（摩爾濃度滲透壓，摩爾滲透壓）相平衡，達到凝膠的平衡溶脹狀態(tài)。而降解過(guò)程中，用來(lái)束縛凝膠溶脹的聚合物鏈被剪斷，導致凝膠體積增大以達到新的平衡。