ACS Nano：光热效应远程控制水凝胶液化，控制释放负载物

随着在体内植入材料技术的发展，远程控制这些材料的变化变得越来越重要。因此，通过材料的适应性行为控制其变化在材料科学领域具有重要的应用。其中，控制材料局部区域的变化同时保持整体的完整性越来越受到大家的关注。从可降解电子材料到生物医学，这些材料具有广泛的应用领域，尤其是在药物释放的领域。目前常用的是基于共价键形成的适应性材料，但是该类材料稳定性相对较高，需要苛刻的条件才能控制负载物的释放，比如紫外光照射和高温，这不利于在保证整体环境不变的情况下控制局部材料的转变。作为一种多孔材料，水凝胶对药物等分子具有良好的负载能力，同时还具有良好的生物相容性，这使其在药物载体等方面具有重要的应用。然而多孔材料的强吸附作用又反过来导致其负载的药物释放速度较慢，限制了其应用范围。

最近，丹麦奥胡斯大学的Alexander N. Zelikin教授等人通过在聚乙烯醇水凝胶中掺杂金纳米颗粒或有机光热染料，利用近红外光照射加热的方式实现远程控制该水凝胶的液化，控制药物的释放。在光照条件下，该材料在几秒内即可发生液化。通过脉冲近红外激光可以控制该水凝胶负载的小分子或者蛋白质（如酶）的释放，为控制聚合物给药提供了一个新方向。相关工作发表在ACS Nano 期刊上。

图1. Alexander N. Zelikin教授。图片来源：Aarhus University

聚乙烯醇水凝胶是基于氢键和疏水作用而形成的多孔材料，具有良好的生物相容性。该类材料内部的作用力较弱，通过加热的方式可以很容易实现水凝胶内部氢键的解离，这为加热控制负载物的释放提供了基础。因此作者提出以聚乙烯醇水凝胶为载体，以调节该水凝胶内部的温度实现控制负载物的释放。为了实现该想法，作者在聚乙烯醇水凝胶内部掺杂金纳米颗粒或者化学修饰有机光热染料（能利用光热效应产热），通过近红外光（条件温和，穿透性强）照射调节水凝胶内部的温度以调控负载物的释放量（图2）。其中聚乙烯醇水凝胶在近红外光照射下不会液化。与有机光热染料相比，金纳米颗粒产生相同的热量需要比其高100倍的浓度，这证明有机光热分子具有更好的应用潜力。当掺杂物为金纳米颗粒时，该复合水凝胶是通过聚乙烯醇聚合物与金纳米颗粒混合冻融得到的。有机光热染料（以NIR785染料为模型，作者自己合成的一种吲哚青蓝染料类似物）是通过化学反应将其修饰到聚乙烯醇上得到的。

图2. 近红外激光控制聚乙烯醇水凝胶释放负载物机理图。图片来源：ACS Nano

为了验证以上复合水凝胶的光热效应，作者分别将其作为塞子堵住装有20 μL溶液的玻璃吸管（图3A、B和C）。在37 ℃下，没有激光照射时即使过了7天吸管中的液体也不会漏出，而有激光照射时液体20 s左右之后就会全部流出。基于热成像可得随着激光照射时间的增加，水凝胶内部温度逐渐升高，在达到一个阈值之后水凝胶向溶胶转变，随后溶液流出（图3D、E和F）。通过改变激光的功率、金颗粒或者染料的量能够调节水凝胶液化的时间。这些结果证明该类水凝胶材料在控制负载物释放方面具有重要的应用价值。

图3. 近红外激光控制含有金纳米颗粒或者NIR785染料聚乙烯醇水凝胶的液化。图片来源：ACS Nano

随后作者以含有NIR785染料的聚乙烯醇水凝胶为模板，研究了该类材料在控制药物释放方面的应用。作者利用不同激光照射磷酸缓冲溶液中的水凝胶材料，发现通过改变激光的参数可以得到不同的液化效果（图4B）。当以荧光素为负载物时可以发现脉冲近红外光照射之后上清液中荧光强度增加（图4C），并且每次照射后荧光强度增加量接近，这有助于定量控制药物的释放。

图4. 近红外激光控制含有NIR785染料聚乙烯醇水凝胶的液化。图片来源：ACS Nano

脂质双分子层的透过性对热敏感，作者提出以脂质体负载小分子（钙黄绿素），然后将其放在含有NIR785染料的聚乙烯醇水凝胶中，局部温度的增加导致脂质体透过性增加，促使脂质体中的小分子扩散出来（图5A）。与水凝胶相比，脂质体可以用于易失活物质的运输。作者也研究了掺杂金颗粒的聚乙烯醇水凝胶用于生物活性物质（β-葡萄糖醛酸酶）的控制释放（图5B），同样具有良好的表现。这些结果证明该类热敏水凝胶在控制释放药物等领域具用重要的潜在应用价值。

图5. 近红外激光控制水凝胶中酶和脂质体包含的小分子的释放。图片来源：ACS Nano

总结

聚乙烯醇水凝胶制备简单，为系统设计适应性材料提供了良好的平台。作者提出以掺杂或者化学修饰的方式使聚乙烯醇水凝胶具有光热效应，基于该性能利用近红外光照射控制水凝胶中负载物的释放。作者利用控制释放小分子、脂质体和酶证明了该方法的可行性。该方法中激光所照射的位置和面积可以进行调节，为实现原位调控药物释放提供了可能。

原文（扫描或长按二维码，识别后直达原文页面，或点此查看原文）：

Remotely Triggered Liquefaction of Hydrogel Materials

Søren L. Pedersen, Tin H. Huynh, Philipp Pöschko, Anne Sofie Fruergaard, Morten T. Jarlstad Olesen, Yaqing Chen, Henrik Birkedal, Guruprakash Subbiahdoss, Erik Reimhult, Jan Thøgersen, Alexander N. Zelikin*

ACS Nano, 2020, 14, 9145–9155, DOI: 10.1021/acsnano.0c04522