【前沿背景】
酶调节的可自愈聚合物水凝胶是一种新兴的柔软材料，能够修复结构缺陷并恢复水凝胶特性，其中它们的制造，自愈或降解是通过酶促反应来介导的。尽管在过去几年中通过利用酶催化反应在水凝胶的可控交联和去交联方面取得了一些成就，但是这种调节可修复聚合物水凝胶的特定于底物的策略仍处于起步阶段，因为这两种智能目前人造酶调节的可治愈材料的实用性和实用性远低于活生物体的水平。对当前成就的系统总结和目前的合理展望可以为该领域的未来发展发挥积极作用。
【科研摘要】
最近，山东大学郝京诚杰青团队在美国化学会《ACS Central Science》发表综述题为Enzyme-Regulated Healable Polymeric Hydrogels一文。该文展望聚焦于生物启发的酶调节的自愈聚合物水凝胶系统的新兴和快速发展的研究领域。对可自愈的聚合物水凝胶的酶促制备和降解以及聚合物水凝胶的酶促调节自愈进行了综述。讨论了酶调节的可自愈聚合物水凝胶的功能和应用。
【图文解析】
1. 综述介绍
自愈是许多生物系统中存在的高级功能。从1978年在粘弹性聚合物系统中观察到第一个自愈现象以来，以生物为灵感的自愈材料的发展已有40多年的历史（图1）。在成功开发了基于微胶囊/微血管的自愈材料以及基于Diels-Alder反应的热触发自愈聚合物之后，外部和固有的自愈材料的概念在21世纪初变得清晰起来。如今，合成的自愈材料不仅可以修复结构缺陷并恢复机械性能，而且还可以恢复包括透明性，导电性，疏水性，超疏水性和防污功能在内的材料功能。尽管取得了这些成就，但目前的合成的自愈材料仍远不如可自愈生物体的智能和实用。
图1.具有重要里程碑意义的酶促可修复水凝胶的时间表。
自1960年Wichterle和Lim合成了首个水凝胶以来（图1），这些软材料已对电子传感器，溶致液晶，智能窗，药物/细胞递送系统和组织工程支架的发展产生了重大影响。聚合物水凝胶包含化学或物理交联的聚合物网络和大量的水，这不仅使交联网络中可逆相互作用的设计能够自愈，而且还提供了促进酶促反应发生的合适环境。酶促反应在聚合物水凝胶中的最初用途是用于材料构建，然后再酶法制备可愈合的聚合物水凝胶，并通过酶法调节聚合物水凝胶的愈合。该领域的最新进展是使用酶促反应来调节聚合物水凝胶的瞬时愈合能力，这不仅使得能够制造热力学稳定和动力学惰性的水凝胶，而且使这种水凝胶具有所需的固有愈合能力。
没有自愈功能和酶触发的溶胶-凝胶转变的酶催化可交联水凝胶的研究已经得到了全面的综述，因此，作者总结了酶法制备和自愈的聚合物水凝胶的降解代表性例子。讨论了酶调节的可自愈聚合物水凝胶的应用。最后，总结了目前的成就，并对酶调节的可愈合聚合物水凝胶的未来发展趋势进行了展望。为了方便，回顾了主要内容并总结在图2中。
图2.该综述的主要内容。
2. 酶法制备
用于制造可愈合的聚合物水凝胶的酶促策略旨在利用酶促反应引发单体和/或聚合物的聚合或自组装，以用于构建可修复的聚合物水凝胶。酶促交联策略已广泛用于水凝胶的制造，它是其他交联方法（例如光交联或物理交联）的创新替代品。Karperien及其同事在2012年对无自愈功能的水凝胶交联中使用的酶促反应进行了全面综述。酶法制备可愈合的聚合物水凝胶的新兴方法学研究尚未得到系统地总结和讨论。酶催化的反应温和但高效，可引发在水性介质中具有官能团的聚合物的交联，从而形成水凝胶。酶调节的可愈合聚合物水凝胶是通过非共价和/或共价键由单体或聚合物（即结构单元）合成的。在水凝胶中，酶通常充当特殊的辅助添加剂来调节水凝胶的合成，降解和/或自愈合，但通常基于共价键或超分子相互作用将其稳定地固定在聚合物网络中。然而，酶促反应通常是不可逆的，这表明水凝胶中酶促形成的交联也具有不可逆的趋势，并且水凝胶可能缺乏自愈能力。只有可交联的官能团和酶促反应的合理整合，才能提供可愈合水凝胶的酶促制备。
2.1 酶促聚合
Wei等人提出通过双酶聚合策略制备可自愈的杂化水凝胶。与之前的示例不同，NapFFK-丙烯酸直接自组装形成水凝胶（图3Aa，b）。选择酶GOX催化底物葡萄糖（3.85 mM）氧化为葡萄糖酸，黄素腺嘌呤二核苷酸（FAD）辅因子将O2还原为H2O2。使用另一种过氧化物酶（HRP）催化H2O2氧化乙酰丙酮（AcAc），生成AcAc自由基，这可引发丙烯酸改性的水凝胶化剂引发聚甲基丙烯酸乙二醇酯（PEGMA）的聚合。以此方式形成了交联的聚合物水凝胶（图3Ac）。交联的水凝胶显示出良好的机械性能，可以抵抗80％以上的压缩（图3Ad），并且可以拉伸到其初始长度的约2.5倍而不会塌陷（图3Ae）。相反，没有交联的自组装水凝胶显示出较弱的机械性能。最重要的是，与游离酶相比，水凝胶中的原位固定化酶GOX和HRP表现出超强的活性。推测该事实归因于共定位的GOX和HRP的协同效应，从而使水凝胶与本体溶液之间的质量转移距离最小。此外，原位固定化酶与纳米纤维之间的强非共价相互作用很好地维持了酶的立体构型，并使酶具有出色的可重复使用性和热稳定性。
图3.酶法制备可愈合聚合物水凝胶。（A）酶促聚合。（B）酶介导的可逆共价键。（C）酶辅助的CO2固定。
2.2 酶介导的可逆共价键
可逆共价键，例如酰亚胺，酰腙，二硫键和硼酸酯键，可以在刺激下裂解并随后重整，已被深入研究，以赋予合成材料固有的自愈能力。最早的研究采用可逆共价键Wudl及其同事在2002年报道了构建固有的自愈材料的方法，他们的研究是基于动态Diels-Alder反应合成可热固化的交联聚合物材料。但是，酶促反应不能大幅度改变温度，因此，Diels-Alder反应可能不是很好的选择，因为可逆共价键可用于酶促制备自愈水凝胶。相比之下，能够在室温下裂解和重整的动态共价键有望通过酶诱导的策略构建自愈合的水凝胶。亚胺键是已应用于内在自愈材料中最有用的可逆共价键之一。席夫碱反应也可用于酶法制备可愈合的聚合物水凝胶。
2.3 酶促二氧化碳固定
在某些情况下，酶促反应不能控制自愈过程的水凝胶，但起着联系的作用。从植物中汲取灵感，Strato及其同事在2018年开发了一款智能水凝胶使用环境CO2固定可以生长，增强和自愈的系统。纳米氧化铈稳定的提取叶绿体作为固碳光催化剂嵌入到系统中，该固碳光催化剂利用了丰富的大气CO2和太阳能作为驱动力。嵌入的叶绿体产生的葡萄糖通过GOX调节的催化反应转化为葡萄糖酸内酯（GL），与氨丙基甲基丙烯酰胺（APMA）聚合形成聚甲基丙烯酰胺水凝胶。该系统中使用了两种酶，分别是α-葡萄糖苷酶和GOX。前一种酶可以水解从叶绿体输出到葡萄糖的麦芽糖，而GOX的主要任务是将葡萄糖氧化为GL，然后与APMA单体的聚合。同时，GOX酶催化副产物H2O2可以促进体系中的聚合和交联。
3.1 改进的酶反应介导
关于合成材料的酶调节自愈的第一项研究是基于戊二醛交联的牛血清白蛋白（BSA）水凝胶系统（图4A），由Liu和同事在2014年提出在蛋白质水凝胶中预存了两种酶GOX和CAT。然后将损坏的水凝胶合并在一起，并在分手时加入葡萄糖（0.2毫克）（大小：1.0厘米×0.5厘米）。葡萄糖通过GOX催化被氧化为GL，然后水解GL以生成可以降低水凝胶系统pH值的葡萄糖酸。GOX调节的催化反应产生的副产物H2O2可通过CAT分解为H2O和O2，以避免亚胺键的氧化。产生的氧气可以通过GOX调节的反应再利用（图4B）。随着葡萄糖酸pH值的降低，戊二醛和BSA/GOX/CAT之间的亚胺键变得更加活跃，因此为修复受损的蛋白质水凝胶提供了机会。这种酶调节的自愈功能可以完全修复水凝胶的结构损伤（图4C）并恢复其机械性能（图4D）。
图4.由酶促反应改善蛋白质水凝胶愈合。
3.2 酶反应介导的聚合物水凝胶的自调控瞬态修复能力
生命有机体固有地具有动态稳定性和自我修复能力。例如，人们彼此握手时不会粘在一起，但受伤时可以自愈损坏。生物系统中的伤口愈合是营养摄入促进，酶辅助，分级和时间控制的反应。具体来说，它遵循以下三个连续步骤：（i）炎症反应，（ii）细胞增殖以填补缺损，（iii）基质重塑以恢复组织特性（图5A）。此过程赋予活生物体短暂的治愈能力足以使他们从受伤中恢复过来的能力。利用此概念可能是创建具有高动力学稳定性和固有愈合能力的高级合成材料的理想平台。从上述伤口愈合过程中吸取教训，作者最近提出了两种水凝胶系统，它们通常是稳定的，但在饲喂适当的化学营养素后可以治愈。基本上通过酶调节竞争过程的动力学控制来实现愈合（图5B）。动力学稳定的聚合物水凝胶的时间调节愈合也被设计为具有三个步骤：（i）通过化学营养物供应进行驱动；（ii）激活动态键或相互作用以进行结构修复；以及（iii）断开动态键或相互作用以进行结构修复。水凝胶性质的恢复（图5A）。它为热力学稳定和动力学惰性的水凝胶创造了短暂的高愈合能力，与活生物体处理伤害的方式类似。具有酶调节的瞬时愈合能力的三个重要因素指导着聚合物水凝胶的设计：（i）水凝胶的稳定性优先于愈合能力。具有热力学稳定和动力学惰性交联的水凝胶是最佳的，没有融合和自愈能力，但是它们可以根据需要获得短暂的愈合能力。（ii）短暂的愈合能力足以弥补缺陷和恢复水凝胶特性。相比之下，基于动力学不稳定的交联的永久性自愈能力可能会降低水凝胶的稳定性。（iii）酶可以高效，特异性地均匀催化缺陷修复所需的反应。此外，大多数酶促反应具有良好的生物相容性，因为活生物体中的大多数化学反应都被酶催化。同时，在反应期间它不需要消耗化石燃料。因此，触发水凝胶愈合的酶促策略是一种清洁且生物相容的方法，无需消耗能量。然而，由于其易碎的性质，酶的长期稳定性值得关注。另外，某些酶促反应的有毒副产物使水凝胶体系的生物相容性差。这些关键问题将成为进一步研究的重点。
图5.酶反应介导的聚合物水凝胶的瞬时愈合能力。
4. 自愈聚合物水凝胶的酶降解
Burdick及其同事描述了通过金刚烷（Ad）或环糊精（CD）分别修饰的HA之间的客体-宿主相互作用，制造了剪切稀化和自愈水凝胶。在HA主链和结合的客体Ads之间使用带正电和带负电的肽接头，分别制得PAd-HA和NAd-HA聚合物。这些聚合物可通过与CD-HA相互作用形成水凝胶，并通过使用II型胶原酶和基质金属蛋白酶2（MMP-2）两种酶研究了选择性蛋白水解降解。含有PAd-HA或NAd-HA的水凝胶对II型胶原酶降解没有选择性。基于PAd-HA的水凝胶被设计为允许MMP-2降解，而基于NAd-HA的水凝胶被设计为限制特定的MMP-2降解。如图6A所示，水凝胶降解是通过两种不同机制的相互作用来介导的：一方面，客体-主体交联经历了连续的（i）缔合和（ii）离解过程，这导致了水凝胶的降解。另一方面，（iii）肽交联的蛋白水解作用导致水凝胶降解，这可能受到（iv）选择性肽修饰的阻碍。结果，当用II型胶原酶处理时，PAd和NAd肽都经历了蛋白水解并表现出剂量依赖性的降解速率（图6B，D）。对于MMP-2可降解序列PAd，观察到了对MMP-2的酶促降解（图6C）。相反，当将NAd用作交联剂时，未观察到MMP-2调节的降解（图6E）。此外，体内降解行为与体外蛋白水解和降解结果非常吻合（图6F–H）。所有这些结果表明，可以通过合理设计大分子结构单元和交联相互作用，以及通过合理选择酶来触发水凝胶降解，来精确控制自愈聚合物水凝胶的降解。
图6.可愈合的聚合物水凝胶的酶促降解。
5. 酶调控的可愈合聚合物水凝胶的应用
目前，大多数酶调节的可愈合水凝胶的研究都集中在材料制备和机理研究上。这种材料的应用主要限于以下三个方面：3D细胞打印，抗菌功能和结构着色（图7）。
图7.酶调节的可愈合聚合物水凝胶的应用。
5.4 未来的应用
与功能性客体材料结合使用时，酶调节的可修复聚合物水凝胶在许多其他领域也可能有用（图8）。一方面，诸如量子点，金属纳米颗粒，碳纳米管和石墨烯之类的纳米材料表现出优异的光学，电子，磁性，热，机械和其他性能。这些纳米材料还具有与聚合物的良好相容性，可以引入聚合物水凝胶中以改善其荧光性能，机械韧性和导电性。掺杂纳米材料，酶调节的可修复聚合物水凝胶在遥感，电子学和能源领域具有潜在的应用。除纳米材料外，导电聚合物（一种对外部刺激具有响应性的智能材料）也可用于构建酶调节的可修复聚合物水凝胶。将有机导体掺入酶调节的可修复聚合物水凝胶中可以赋予水凝胶更多的新功能。此外，酶与目标底物之间的反应可产生可检测的电化学信号。在这种情况下，含有导电聚合物的酶调节的可修复聚合物水凝胶具有导体的优点，酶调节的可修复聚合物水凝胶在具有高固有选择性的高级生物传感器中具有广泛的应用。此外，有机导体掺杂，酶调节的可修复聚合物水凝胶在能量存储/转化和太阳能净水领域具有潜在的应用前景。
图8.酶调节的可愈合聚合物水凝胶的未来应用。
【陈述总结】
作者总结了酶调节的可愈合聚合物水凝胶领域的最新进展。特别讨论了可愈合水凝胶的酶促制备和水凝胶的酶促调控愈合。在可聚合高分子水凝胶的酶促制备研究中，酶促反应主要起触发水凝胶自组装，聚合和可逆共价键形成的作用。双酶自组装和聚合是Wang和他的同事开发的用于制备自愈聚合物水凝胶的有效策略，并且所得水凝胶已发现可用于3D细胞打印和止血。动态酰亚胺键是用于酶促形成可愈合水凝胶的最常用可逆共价键之一，其中胺氧化酶用于将含氨基的大分子部分氧化为相应的醛产物，因此允许发生席夫碱反应以这种方式制造了单网络和双网络可愈合聚合物水凝胶，用于3D打印和皮肤伤口愈合。在酶调节水凝胶自愈的研究中，GOX是最常用的酶，因为GOX调节的催化反应可同时生成葡萄糖酸和H2O2。一方面，葡萄糖酸可以通过激活动态酰亚胺或醛亚胺键来降低系统的pH值并促进水凝胶的愈合。另一方面，氧化剂H2O2可以触发金属离子的氧化态变化，因此促进金属交联的聚合物网络中的自愈或性质恢复。最重要的是，酶促策略可以赋予水凝胶短暂的恢复能力，这使得修复热力学稳定和动力学惰性材料的缺陷变得可行。总体而言，酶催化提供了控制周围物理化学环境的强大工具，可有效制造和降解聚合物水凝胶，以及修复结构缺陷和恢复水凝胶功能。
参考文献：
doi.org/10.1021/acscentsci.0c00768
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