【前沿背景】
大自然是环保和可降解材料的不可比拟的来源。实际上，据估计，每年天然产生的多糖超过1500亿吨，其中仅约1％被人类消耗。多糖，如壳聚糖，藻酸盐和层粘连蛋白，是海洋生物中合成的最丰富的大分子之一。尽管有丰富的功能，但由于其独特的治疗功能（如抗炎，抗氧化，抗肿瘤和抗凝活性），层粘连蛋白（LAM–OH）受到的关注很少，仅限于生物医学目的。LAM-OH是一种低分子量的支链多糖，主要用作褐藻中的储能葡聚糖。它的结构由通过β（1,3）糖苷键以及一些β（1,6）侧链支链连接的葡萄糖单元组成，这是其低粘度，无毒和在水溶液中的高溶解度的原因，非常规地用于多糖，有机溶剂。此外，这种天然来源的材料很容易通过酶的作用降解为葡萄糖单元或寡糖结构，其中一些酶存在于土壤或海洋中。这种可生物降解的特性对于这种可持续性聚合物的寿命终结至关重要，因此应尽量减少其对现有塑料废物问题的影响。
除了对环境的关注之外，聚合物的潜在应用还高度依赖于与当前商业材料竞争的候选产品的开发。换句话说，它们不仅必须表现出独特且增强的物理化学和生物学特性，包括可加工性，相容性和机械强度，而且还必须通过简单，直接且具有成本效益的合成路线来制备。这些方面对于许多生物聚合物而言仍然具有挑战性，通常是由于它们的低反应性和差的溶解性。但是，通过简单地将具有特定基团的天然聚合物官能化，可以将它们加工成多功能生物材料，例如用于组织工程的水凝胶，用于药物输送的微粒以及用于生物电子学的软机器人。
【科研摘要】
随着社会对气候变化意识的增强，新型可再生和天然来源的材料作为石油基产品的替代品已受到越来越多的关注。层粘连蛋白（LAM-OH）是一种在海洋生物中发现的高度丰富，无毒，可降解的多糖，因此是一种很有前途的可持续聚合物。伯明翰大学Andrew P. Dove和阿威罗大学 Joo F. Mano教授团队报告了一种在温和条件下生产LAM-OH衍生物工具箱的简单，环保和可定制的功能化策略。在此，制备具有特定化学部分即烯丙基，胺，羧酸，硫醇，醛和儿茶酚的天然起源的大分子并对其进行化学表征。此外，将获得的聚合物加工成细胞相容性水凝胶，通过采用独特的交联机制获得其，以评估其在生物医学上的潜力。这种聚合物的应用范围可以扩展到催化，化妆品，生命科学和食品包装等领域，这些领域也可以受益于具有可持续，无毒且可降解的材料。此外，可以预料，用于创建该新的基于天然的产品的库的方法可以总体上适用于修饰其他多糖和生物聚合物。
【图文解析】
为了开发一种模块化且灵活的功能化策略，该策略导致将定义的功能团并入LAM-OH主链，研究了两种方法（图1）。首先，通过亲核取代过程（反应i；图1A）获得了LAM-C═C衍生物，该过程涉及LAM-OH中的羟基与烯丙基化剂，即烯丙基溴的反应（反应i；图1B）。 通常需要强碱（如NaOH）使醇基去质子化，从而使其与烯丙基卤化合物偶合。这种烯丙基化方法以前曾用于修饰其他多糖（26-28），由于烯丙基可能通过硫醇-迈克尔与含硫醇的化合物（在图1B中表示为HS-R）反应的可能性而被选择使用 （反应ii；图1B）。
图1.（A）包含合成的LAM-OH衍生物（即LAM-C═C，LAM-COOH，LAM-NH2，LAM-SH和LAM-C═O）的已开发聚合物文库的示意图。（B）通过（i）亲核取代，（ii）硫醇-迈克尔加成，（iii）氧化和（iv）水解来获得每个LAM-OH功能化的详细化学反应。
现在对层板蛋白进行修饰以使其具有更广泛的官能团，从而可以在这些位点进一步进行选择性官能化。例如，可以使用3,4-二羟基苯甲酸或多巴胺盐酸盐形式的邻苯二酚（以下简称DOPA）部分分别接枝到LAM-NH2或LAM-COOH结构上。建立的EDC / NHS耦合（反应i和ii；图3A）。DOPA中存在的邻苯二酚基团因其在潮湿条件下的粘合性能而闻名。此外，邻苯二酚及其氧化形式醌对多种化学基团（如胺，硫醇和金属离子，如 铁，提供了创造新颖材料的大量可能性。
图3. LAM-DOPA结构的合成和表征。（A）使用（i）LAM-NH2或（ii）LAM-COOH作为起始聚合物，通过EDC / NHS偶联反应合成LAM-DOPA衍生物。（B）（i）LAM–NH2和LAM–DOPA以及（ii）LAM–COOH和LAM–DOPA聚合物（在D2O中）的1H NMR光谱，儿茶酚基团以灰色突出显示。（C）紫外可见光谱图和（D）LAM-OH，DOPA和LAM-DOPA化合物的FTIR光谱。
为了证明本文报道的修饰层板蛋白的潜在用途，作者选择研究其在水凝胶形成中的潜力。LAM-OH多糖的一个吸引人的特点是其低粘度，可通过一种微创策略促进其实施。交联机理，取决于聚合物或/和交联剂的化学功能通常需要-β-连接剂以赋予最终材料结构机械性能。该步骤可通过在混合尖端内或在生理条件下建立例如离子相互作用，氢键和/或共价键而原位发生。在本文中，假设先前开发的功能性生物聚合物可用于生产可注射的水凝胶。为此，将LAM-NH2与LAM-C═O多糖结合，分别通过其胺基和醛基之间的动态共价键形成（即Schiff碱；图4A的右上角）来生产水凝胶。
图4.在温和条件下通过（A）化学或（B）光交联过程生产水凝胶。进行振荡时间扫描测定以确定水凝胶的胶凝点，该胶凝点在储能模量（G'）等于损耗模量（G''）时发生。插图对应于（左角）示意图的示意图，该示意图是将LAM–NH2中的胺基与LAM–C═O中的醛基（化学条件：席夫碱）或巯基中的硫醇基结合时形成的。在有光引发剂（光条件，硫醇-烯反应）的情况下，在紫外线照射后，LAM-C═C中具有烯丙基的LAM-SH和（右上角）获得的水凝胶图片。（C）细胞活力结果表示为阳性对照的百分比。将细胞与前两个交联网络（Chem和Photo）的浸出液接触，浸出液是在完全培养基中提取1或3天后获得的。（D）LAM-DOPA / FeIII水凝胶的形成。在照片（i）中，一滴LAM-DOPA聚合物液滴沉积在载玻片上方。之后，将FeIII溶液添加到LAM-DOPA溶液（ii）中。最后一张照片（iii）显示了通过添加NaOH通过配位键形成的水凝胶。（iv）随着pH的增加，由于形成双-和三-DOPA / Fe络合物，水凝胶结构变得更交联。
在没有任何引发剂或催化剂的生理条件下（pH 7.4和37°C）形成了水凝胶（图4A，右上角）。进行振荡流变学测定以确定这些材料的胶凝时间，其特征在于储能模量（G'）与模量损失（G''）之间的交叉（图4A）。在该系统中，胶凝时间约为450 s，证明了从流体状到水凝胶的转化。对于使用不同多糖的相同交联机理，获得的值与文献中发现的值相同。
硫醇和烯烃功能性海带多糖衍生物的放置位置理想，可以通过光交联实现凝胶化（图4B，左上角）。与阳性对照相比，已开发的水凝胶没有任何显着差异，这意味着所产生的水凝胶具有细胞相容性，并且与可浸出物接触后细胞仍然存活（图4C）。在这项工作中，通过在DOPA官能化的生物聚合物和铁离子之间采用配位化学机理，进行了另一种形成水凝胶的尝试。为此，将LAM-DOPA聚合物与FeIII离子以3：1的邻苯二酚/ FeIII摩尔比混合（图4D，左图）。之后，通过添加NaOH来增加pH。众所周知，从单分子到三体复合物，DOPA / FeIII配位键的数量由pH值控制（图4D，右图）。有趣的是，加入EDTA后，先前的水凝胶结构被分解，恢复其液体状状态，因此表明共价交联在水凝胶中的整体交联中不发挥重要作用。
参考文献：
doi.org/10.1021/jacs.0c09489
版权声明：「水凝胶」是由专业博士（后）创办的非赢利性学术公众号，旨在分享学习交流高分子聚合物材料学的研究进展。上述仅代表作者个人观点且作者水平有限，如有科学不妥之处，请予以下方留言更正。如有侵权或引文不当请联系作者修正。商业转载请联系编辑或顶端注明出处。感谢各位关注！