降解過程不變形的“零滲透壓”凝膠

       如果你曾經(jīng)學習過高分子科學的相關課程，那么，你一定和我一樣上過一門令人頭痛的專業(yè)課：高分子物理。鏈構象、相分離、自由體積、Flory-Huggins參數(shù)，光是這些名詞就足以一臉茫然。盡管如此，來自東京大學的Hiroyuki Kamata博士和Takamasa Sakai教授等人，卻用這些基本的高分子物理學概念，為我們上了一節(jié)有趣的髙物課。最近，他們在《德國應用化學》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(yī)學領域有著重要的應用前景，它們可以被用于組織修復、藥物緩釋等諸多領域。然而，傳統(tǒng)的可降解水凝膠面臨著一個嚴重的問題：在降解的過程中會發(fā)生溶脹，導致凝膠膨脹變形。這種變形可能會壓迫周圍的神經(jīng)、組織，帶來嚴重的副作用。因此，制備在降解過程中不發(fā)生明顯形變的凝膠對于該類材料的應用具有重要意義。要解決這個問題，我們首先要了解凝膠降解過程中為什么會發(fā)生膨脹。
 
        一般來說，組成凝膠的聚合物往往具有良好的水溶性，因此，如果將沒有交聯(lián)的聚合物放入水中，他們會發(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作用，將這些聚合物鏈“栓”在一起，形成一個網(wǎng)絡，“強迫”聚合物鏈不發(fā)生擴散。由于凝膠內(nèi)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）遠遠高于周圍的溶液，因此當把一塊凝膠放入水中的時候，水分子在滲透壓（摩爾濃度滲透壓，摩爾滲透壓）差的驅動下擴散進凝膠內(nèi)部（也可以理解為聚合物鏈“想要”擴散到水中），這一過程被稱作“溶脹”。另一方面，由于聚合物鏈被連接成網(wǎng)絡以防彼此“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)。而降解過程中，用來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。