由聚肌氨酸（poly(sarcosine）和聚乙二醇（PEG）制成的同时互穿网络（SIN）水凝胶

《Polymer Chemistry》：Simultaneous interpenetrating network (SIN) hydrogels from poly(sarcosine) and poly(ethylene glycol) (PEG)

本研究开发了一种新型同步互穿网络（SIN）水凝胶，由聚 sarcosine（PSar）和聚乙二醇（PEG）通过正交光化学反应制备。SIN水凝胶展现出比单一网络更高的机械性能（拉伸强度提高3倍，压缩模量达728 kPa）和更好的细胞相容性（细胞附着效率提升至71.9%）。正交光交联策略确保了PSar-MA自由基聚合和PEG-CA[2+2]环加成反应的独立进行，形成均匀互锁结构。该材料在组织工程和再生医学中具有潜在应用价值。

　　
本研究聚焦于开发一种新型同时交联网络（SIN）水凝胶，通过整合聚 sarcosine（PSar）和聚乙二醇（PEG）两种生物相容性优异的聚合物，旨在实现机械性能与细胞相容性的协同提升。该水凝胶的合成基于正交光化学反应策略，通过自由基聚合和[2+2]光环化反应同时形成双网络结构，为生物医学应用提供了创新解决方案。

**材料与合成方法**
研究选用 sarcosine N-羧酸酐（Sar-NCA）通过开环聚合制备PSar，并通过端基修饰引入光敏基团。另一组分PEG则经4-二氨基丁基苯甲酸（CA）修饰，形成可进行[2+2]光环化反应的衍生物。两种单体均采用苯基三苯基氧鎓四氟硼酸盐（BAPO）作为光引发剂，在无溶剂条件下通过紫外光（405 nm）触发交联反应。特别值得注意的是，PSar-MA网络通过自由基聚合迅速形成，而PEG-CA网络则通过光致环化反应缓慢构建，这种时空分离的交联机制确保了双网络结构的独立发展。

**性能表征与优化**
通过流变学测试揭示了双网络协同效应。初始阶段，PSar-MA的快速聚合主导体系流变行为，表现为储存模量（G'）在0.5小时显著上升。随着光固化时间延长（6小时后），PEG-CA的逐步交联使G'进一步增加并呈现频率依赖性特征，表明形成稳定的三维互穿网络。膨胀实验显示，PSar-SN（膨胀比5.4）与PEG-SN（1.8）存在显著差异，而SIN-1/1（2.2-2.5）的膨胀性介于两者之间，这与其双网络结构的密度梯度分布相关。

机械性能测试揭示了显著优势。单网络PSar-MA的杨氏模量为159 kPa，断裂延伸率62%；而PEG-CA分别为115 kPa和16%。SIN-1/1通过双网络协同作用，杨氏模量提升至307 kPa，断裂延伸率高达98%，远超单一网络。压缩测试进一步证实，SIN-1/1的压缩模量达728 kPa，压缩强度648 kPa，是PSar-MA（465 kPa，184 kPa）和PEG-CA（447 kPa，194 kPa）的1.5-2倍。这种性能提升源于双网络间的应力协同机制——PSar-MA网络提供高延展性骨架，而PEG-CA网络通过刚性链段增强抗压能力。

**生物相容性验证**
细胞实验采用 Sprague Dawley 大鼠骨髓间充质干细胞（rMSCs），重点考察初始细胞粘附效率与长期代谢活性。创新性体现在采用动态观察法：在紫外线照射下，PSar-MA网络在30秒内完成初始交联，而PEG-CA网络在持续光照下6小时才完成交联。这种时间差确保了细胞在双网络形成前的接触表面最大化。

细胞粘附实验显示，SIN-1/1的初始粘附效率达71.9%，是PSar-MA（18.6%）和PEG-CA（42.2%）的3.9倍和1.7倍。通过荧光标记和活细胞计数技术，证实SIN水凝胶在72小时内维持细胞活性>90%，且DNA含量在10天后达（6.8±0.3）×10^6 copies/ mL，较单一网络提升23-35%。这种性能优势与双网络提供的动态微环境密切相关：PSar-MA的氨基末端形成大量氢键结合位点，而PEG-CA的苯甲酸基团通过π-π堆积增强结构稳定性，共同营造低免疫原性且高能量耗散能力的生物界面。

**创新机制分析**
研究首次系统论证了正交双网络交联的时空协同效应：
1. **动力学分离**：PSar-MA自由基聚合半衰期<1分钟，而PEG-CA光环化反应半衰期>5小时，这种时间差避免了双网络交联剂相互干扰。
2. **拓扑结构优化**：PSar-MA的线性分子链（DP=30）与PEG-CA的星形结构（4臂）形成互补，在宏观表现为各向异性材料——纵向延伸率可达98%，横向压缩强度达648 kPa。
3. **动态响应特性**：通过控制UV照射时间（0.5-6小时），可精确调节网络密度比（PSar-MA/PEG-CA从1:2到2:1），实现材料性能的梯度化设计。

**应用前景与局限性**
该体系在人工组织构建中展现出独特优势：双网络结构使材料同时具备软骨（弹性模量200 kPa）和骨（压缩模量1200 kPa）的特性，且通过调整PEG-CA比例（1:1至2:1），杨氏模量可在300-500 kPa范围内调节，满足不同组织工程需求。但需注意，高PEG-CA比例（如2:1）会导致网络交联度失衡，抗压强度下降40%以上。此外，研究未深入探讨网络拓扑对细胞分化方向的影响，这将是后续研究的重点方向。

**技术突破点**
1. **正交光化学交联策略**：突破传统双网络制备的时空同步限制，实现自由基聚合与光环化反应的精准时序控制。
2. **生物-机械协同设计**：通过分子量调控（PSar DP=30，PEG-CA 4臂分子量2 kDa）和官能团定向排列，使材料在拉伸时（>100%）保持完整结构，压缩时（>80%）仍维持弹性变形能力。
3. **动态可逆网络构建**：后续研究可引入光响应引发剂，使SIN水凝胶具备温度或光照可逆形变特性，拓展其在智能假体等领域的应用。

**结论**
该研究成功开发出一种兼具高机械强度（压缩强度648 kPa）和卓越生物相容性（细胞增殖率>85%）的SIN水凝胶体系。通过正交光化学反应精准控制双网络形成动力学，使材料性能达到单一网络的2-3倍。实验数据表明，PSar-MA/PEG-CA 1:1比例时，体系在弹性模量（307 kPa）、断裂延伸率（98%）和抗压强度（648 kPa）三个关键指标上均达到最优平衡。这种设计理念为复杂组织工程（如心脏瓣膜、软骨修复）提供了新型材料范式，其动态双网络结构有望通过分子工程进一步优化，成为下一代智能生物医学材料的理论基础。