水凝膠是一種含水量很高的高分子三維網(wǎng)絡(luò)，具有優(yōu)異的親水性和良好的化學(xué)適應(yīng)性。利用外界刺激誘導(dǎo)原位合成水凝膠，具有重要意義。隨著相關(guān)研究的不斷深入，設(shè)計(jì)具有更高可控性的誘導(dǎo)途徑是該領(lǐng)域的重點(diǎn)研究方向之一。光交聯(lián)反應(yīng)是合成水凝膠有效途徑，其主要是利用高分子鏈中的光敏基團(tuán)，或光引發(fā)劑，在光照作用下，誘發(fā)交聯(lián)，形成三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。這種高度可控的成膠特性，已在傷口快速止血、離子凝膠導(dǎo)體性能調(diào)控、光刻技術(shù)等領(lǐng)域呈現(xiàn)顯著優(yōu)勢(shì)。需要注意的是，光交聯(lián)反應(yīng)通常由紫外/可見(jiàn)光區(qū)范圍內(nèi)的光波進(jìn)行誘發(fā)，但該區(qū)間的光波在生物組織中的穿透性較差。這一缺陷嚴(yán)重限制了利用光交聯(lián)反應(yīng)在動(dòng)物體內(nèi)等密閉體系中進(jìn)行水凝膠的原位合成，也限制了其在深部組織修復(fù)，腫瘤栓塞治療等領(lǐng)域的進(jìn)一步應(yīng)用。

圖1. 不同光源對(duì)組織穿透深度的示意圖及X射線-光引發(fā)級(jí)聯(lián)反應(yīng)體系

針對(duì)上述問(wèn)題，楊艷民教授和張海磊副教授在前述研究基礎(chǔ)上（Nat. Commun., 2024, 15，2055），進(jìn)一步與美國(guó)馬薩諸塞大學(xué)醫(yī)學(xué)院韓剛教授展開(kāi)合作：基于埃洛石納米管（HNTs）的表面修飾，在納米管表面原位合成和具有X射線激發(fā)長(zhǎng)余輝發(fā)光性能的納米復(fù)合材料（HNTs@YF₃:Tb³⁺），具有良好的水分散性能，低毒性，且與聚合物基質(zhì)相容性良好。X射線經(jīng)HNTs@YF₃:Tb³⁺媒介作用轉(zhuǎn)化形成的可見(jiàn)光，可用于進(jìn)一步激活光引發(fā)劑樟腦醌/環(huán)糊精超分子絡(luò)合物，產(chǎn)生自由基，誘發(fā)烯類單體發(fā)生自由基聚合，實(shí)現(xiàn)原位合成水凝膠的目的。論文作者已在肌肉組織體外模型、大鼠動(dòng)物模型和體外骨缺損模型中對(duì)對(duì)上述X射線-光引發(fā)級(jí)聯(lián)反應(yīng)體系誘導(dǎo)深層組織原位成膠的可行性進(jìn)行了驗(yàn)證。上述級(jí)聯(lián)引發(fā)體系也有望與其他光化學(xué)工藝，如光固化、光催化等結(jié)合，有望在深層齒缺損修復(fù)、腫瘤栓塞治療、體內(nèi)深層組織原位修復(fù)、密閉器件內(nèi)部探傷修復(fù)等領(lǐng)域取得進(jìn)一步推廣和應(yīng)用。

圖2. 本研究提出的X射線-光引發(fā)級(jí)聯(lián)反應(yīng)體系在不同領(lǐng)域的應(yīng)用前景展望

相關(guān)工作“X-ray-activated polymerization expanding the frontiers of deep-tissue hydrogel formation”以河北大學(xué)為第一單位發(fā)表在國(guó)際著名期刊《Nature Communications》上（2024, 15，3247）。物理學(xué)院楊艷民教授與美國(guó)馬薩諸塞大學(xué)醫(yī)學(xué)院韓剛教授為共同通訊作者，化學(xué)學(xué)院張海磊副教授為論文第一作者和共同通訊作者。

上述研究工作得到了國(guó)家自然科學(xué)基金（Nos. 22102045&11974097），中央引導(dǎo)地方科技發(fā)展基金（No. 226Z1301G），河北省自然科學(xué)基金（No. B2020201072）和河北大學(xué)校長(zhǎng)基金（No. XZJJ202210）和河北大學(xué)多學(xué)科交叉研究基金(DXK201301)資助。

原文鏈接：https://doi.org/10.1038/s41467-024-47559-z

（物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院、科學(xué)與技術(shù)創(chuàng)新研究院  供稿）