离子诱导的形状记忆水凝胶设计及其在动脉瘤栓塞中的应用探索

The hydrogels with shape memory (SM) effect have been scarcely studied relative to SM polymers. The examples of SM hydrogels reported to date are only confined to heat-induced memory effect. The bottleneck to developing SM hydrogels lies in the poor mechanical properties of conventional hydrogels as well as difficulty in imparting reversible locking-unlocking force to water molecules-highly diluted network. Taking into account the fact the hydrogel is used in water milieu, this project aims to construct a novel hydrogel with SM behavior driven by distinct mechanism - ion induced shape memory effect. We will fabricate dipole-dipole reinforced SM hydrogel by photo-initiated copolymerization of dipole-dipole interaction-containing acrylonitrile, imidazole-containing monomer and crosslinker. The mechanism of shape memory regulated by dynamic complexing and decomplexing of different metal ions with imidazole will be investigated; the relationship of shape memory with binding ability of ions to imidazole will be inspected as well, offering a new approach to designing shape memory hydrogels. We will also explore the application of shape memory hydrogel microcoil in the embolization of aneurism, extending the utility range of this SM hydrogel.

相对于形状记忆高分子材料，形状记忆高分子水凝胶的研究非常稀少，所报道的几例也仅局限于热致形状记忆效应。研制形状记忆水凝胶的瓶颈在于常规凝胶低弱的力学强度和赋予水分子高度溶胀网络可逆的锁定-解锁定力存在着挑战。基于凝胶在水中应用的前提，本课题拟将构建不同机制驱动的形状记忆高强度水凝胶 ：一种离子诱导的形状记忆效应。我们将采用光引发共聚提供偶极-偶极相互作用的丙烯腈单体、含咪唑基团的单体和交联剂构建偶极力增强的形状记忆水凝胶。研究不同金属离子与咪唑动态络合和解离驱动的形状记忆效应和机制，探索离子-咪唑基团络合能力与形状记忆效应的相关性，为设计形状记忆高强度水凝胶提供新思路。课题也将初步探索形状记忆凝胶微弹簧圈在动脉瘤栓塞中的应用，拓展高强度凝胶的应用范围。

传统水凝胶力学性能低弱，赋予水分子高度溶胀网络可逆的锁定-解锁定力存在很大挑战，难以制备高强度形状记忆水凝胶。本课题首先构建了基于偶极-偶极和锌离子络合增强的高强度水凝胶，研究了凝胶的力学行为和锌离子驱动的形状记忆机制，实验中发现，在1 mmol/L，5 mmol/L和10 mmol/L的锌离子溶液中，由于锌离子与咪唑的络合交联，水凝胶的拉伸强度分别从原始的0.15 Mpa增加到0.88 MPa，3.41 MPa和 4.00 MPa，同时杨氏模量也从0.6 MPa提高到8.11 MPa, 28.41 MPa 和 37.84 MPa，凝胶呈现锌离子响应的形状记忆效应，我们探讨了该形状凝胶作为细胞管状支架的可行性。. 在项目执行中，我们也构建了锌离子固定的高强度多壁形状记忆凝胶管，研究了多壁凝胶管的力学性质。一个有趣的现象是，这种锌离子固定的多壁凝胶管较之相同尺寸的实心凝胶柱子(SHC)，具有更高的压缩强度，弯曲强度甚至提高到原来的1.2倍，高达54 MPa，并且在载荷下，凝胶并没有发生断裂。多壁凝胶管具有抗菌和抗炎症性，体内移植实验表明，该多壁凝胶管可持续释放锌离子，促进伤口愈合。原计划提出通过丙烯腈与咪唑梳型大单体共聚制备高强度凝胶，但并未显示离子响应的形状记忆现象。实验中，我们发现钙/锌双离子可以驱动偶极-偶极增强的高强度水凝胶发生自变形和形状记忆，进而发展了干细胞分化平台，评价了干细胞活性，揭示了干细胞特异分化的空间效应。最后，我们创建了具有体内显影功能的离子固定的形状记忆弹簧圈，凝胶在钡离子中展现了优异的力学性能，抗张强度达10 MPa，伸长率达到400%，并呈现形状记忆特性，且加入硫酸根形成的BaSO4具有显影功能，我们探索了该形状记忆弹簧圈在动脉栓塞中的应用，为高强度凝胶的医学应用指明了新的方向。