【前沿背景】
新世纪正在见证从生物稳定材料到可生物降解材料的范式转变。尽管生物材料的可降解性为其临床应用带来了许多机会，但它也面临着巨大的挑战。可生物降解材料的体内进化在实现预期功能方面起着至关重要的作用。
【科研摘要】
由于缺乏足够的实时观察方法，关于体内系统生物降解的报道非常有限。最近，复旦大学俞麟教授团队开发了一种三峰生物成像技术，可以实时监测体内合成聚合物的生物降解。演示的材料是一种成功的临床前共聚物PLGA-PEG-PLGA热敏水凝胶，在加热时会经历自发的溶胶-凝胶转变。设计并合成了大分子荧光探针和磁共振成像（MRI）的造影剂。在将含有两种探针的水凝胶皮下注射到小鼠体内后，通过超声，荧光和MRI的协同应用，可以纵向和无创地追踪材料的降解行为。将无创成像与传统解剖学观察相结合，首次提出了这种水凝胶的三阶段降解机理。另外，体内溶解的聚合物和降解产物主要通过肝脏，胆囊和脾脏清除。这项工作对于促进这类有前途的水凝胶的未来临床应用具有重要价值。同时，该技术平台为研究生物材料的体内命运提供了有益的启示和方法。
【图文解析】
在这项研究中，选择具有合理溶胶-凝胶转变温度以适合体内生物医学应用的热敏PLGA-PEG-PLGA水凝胶作为模型。罗丹明B（RB）被共价修饰到PLGA-PEG-PLGA聚合物的末端以用作荧光探针，并且作者制备的磁性纳米颗粒（MNP）CoFe2O4被截留在凝胶基质中以增强MRI信号，如图1a所示。评估了引入探针对聚合物水凝胶热诱导的溶胶-凝胶转变的影响。皮下注射水凝胶到ICR小鼠后，通过同步应用超声，荧光和MRI无创地跟踪体内降解行为，如图1b所示。比较并讨论了这三种成像技术的优缺点。最后，结合传统的解剖学观察和组织学检查，首次展示了热敏PLGA-PEG-PLGA水凝胶在体内的进化过程。
图1. a）MNPs@RBGel设计和制造的示意图。b）通过荧光，超声和MRI对小鼠热敏PLGA-PEG-PLGA水凝胶的体内降解进行无创监测的示意图。
2.1 PLGA-PEG-PLGA三嵌段共聚物和带有RB标签的PLGA-PEG-PLGA的合成和表征
PLGA-PEG-PLGA三嵌段共聚物是通过乙交酯（GA）和d，1-丙交酯（LA）的本体开环聚合反应合成的，其中辛酸亚锡（Sn（Oct）2）为催化剂，PEG1500为大分子引发剂。详细见原文。
2.2 CoFe2O4纳米粒子的合成与表征
CoFe2O4纳米粒子是通过在油胺和油酸存在下，通过乙酰丙酮钴（II）（Co（acac）2），乙酰丙酮铁（III）（Fe（acac）3）和1,2-十六烷二醇的高温溶液相反应制备的。通过电感耦合等离子体发射光谱仪测定的Fe和Co的比例分别为68.5％和31.5％。透射电子显微镜（TEM）的观察表明，纳米粒子的平均尺寸约为≈7 nm，动态光散射（DLS）结果证实了纳米粒子的单分散分布（图2a）。DLS分析中纳米颗粒的平均尺寸（12 nm）。
图2. a）CoFe2O4纳米颗粒，b）PLGA-PEG-PLGA水溶液和c）包含CoFe2O4纳米颗粒和RB标记的PLGA-PEG-PLGA（CoFe2O4: 3 µg mL-1，RB:1 µg mL-1）)的PLGA-PEG-PLGA水溶液的DLS和TEM结果。
2.4 PLGA-PEG-PLGA和MNPs@RBGel系统水溶液的宏观Sol-Gel转变
具有不同聚合物浓度的PLGA-PEG-PLGA水溶液的溶胶-凝胶转变温度（Tgels）通过样品瓶转化方法确定。临界胶凝浓度为≈4wt％，高于该浓度，聚合物/水体系会随着温度的升高而经历三种独特的状态：溶胶，凝胶和溶胶（悬浮液）。25 wt％的聚合物溶液的Tgel为35°C，表明该系统能够在生理条件下形成原位水凝胶，适用于体内研究。进一步进行动态流变学测量，以观察具有或不具有探针的聚合物/水系统的储能模量（G'）和损耗模量（G''）随温度的变化（图2d）。在低温或室温下，无探针系统的G'小于G''，表明该系统处于溶胶状态。当温度高于30°C时，G'和G''都开始迅速增加，并且G'的增加速率大于G''的增加速率，这表明发生了溶胶-凝胶转变。
2.7 体内水凝胶降解的荧光分析
作为高度敏感和快速响应的成像方式，荧光成像已被广泛用于监测材料以及细胞的体内命运。众所周知，动物的放置具有重要意义。影响获得的荧光数据。在这项研究中，首先进行了X射线成像，以确保荧光成像过程中小鼠的检查位置相同。借助X射线成像，获得了准确而可靠的荧光数据。如图4a所示，在第70天，可检测的荧光信号维持了长达50天，在小鼠的给药部位未观察到信号。图4c显示了总荧光强度随时间的定量变化。总的荧光强度随时间逐渐降低，除了在第2天，由于荧光探针扩散到小鼠表皮。
通过小鼠离体主要器官的荧光成像评估了聚合物水凝胶及其降解产物的体内生物分布。小鼠接受单次注射的RBGel，其中包含高浓度的RB标记的聚合物探针（1.7 mg mL-1），然后在预定的时间点收获其主要器官。如此高的RB浓度可确保长时间在主要器官中清晰地检测到该物质及其代谢产物的荧光信号。如图4b所示，直到第17天，才可以检测到脾脏，肝脏和胆囊中的荧光信号，这表明PLGA-PEG-PLGA水凝胶及其降解产物主要是通过这些器官消除的。它们的荧光峰强度随时间的定量变化如图4d所示。在最初的48小时内，脾脏，肝脏和胆囊的荧光强度急剧增加，随后逐渐降低。
图4. a）接受皮下注射MNPs @ RBGel的小鼠的代表性荧光图像。该图中显示的所有数据均来自同一只鼠标。b）RBGel处理的小鼠主要器官的代表性荧光图像。反射率图像用作背景。c）随时间变化的小鼠注射总荧光强度的变化。d）小鼠主要器官的荧光峰值强度随时间的变化。
3. 讨论
体内降解行为是可生物降解的生物材料/装置的重要基础科学问题。它们的体内命运在获得所需的治疗效果中起着至关重要的作用。解剖学观察通常用于评估生物可降解材料/装置在体内的降解过程。然而，这种方法不可避免地涉及到大量动物的使用，并且在整个时期内都无法追踪到相同的样本。与传统的解剖学观察不同，体内成像技术提供了无创地实时追踪植入材料/设备的能力，从而实现了在不牺牲任何动物的情况下，根据时间对同一样品进行纵向监测。甚至某些先进的成像技术也允许访问植入对象的结构和功能信息。为了确认对PLGA-PEG-PLGA水凝胶的无创追踪肯定反映了其在体内的真实降解过程，作者使用传统的解剖学观察方法在小鼠中进行了平行降解研究（图6）。
图6. a）接受皮下注射空白水凝胶的小鼠中剩余水凝胶的代表性光学照片。虚线用于代表凝胶的边界。b）剩余水凝胶的重量比随时间的变化。c）在预定时间点的干燥凝胶残留物的GPC痕迹。d）在预定时间点的干燥的凝胶残余物的1H-NMR谱。
【陈述总结】
在这项研究中，首次通过多种体内成像技术的合作，很好地研究了临床前PLGA-PEG-PLGA热敏水凝胶的体内降解行为。RB共价结合到PLGA-PEG-PLGA聚合物的末端以用作荧光探针，并将具有高r2值的CoFe2O4 MNPs加载到凝胶基质中以用作MRI对比。添加两种探针对水凝胶系统的Tgel及其降解行为均无明显影响。
皮下注射水凝胶后，通过超声，荧光和MRI的同步应用对体内降解进行无创监测。将无创成像技术与传统解剖学观察相结合，作者揭示了一个三阶段降解机制。表面腐蚀在降解的初始阶段占主导地位，然后在第二阶段转变为结合表面腐蚀和PLGA链水解的机理。水解控制机制在最后阶段起主导作用。溶解的PLGA-PEG-PLGA和降解产物的代谢主要取决于肝脏，胆囊和脾脏。在降解过程中，残留水凝胶的水含量短暂上升，然后在第25天持续下降，直至达到几乎恒定的水平。因此，该研究为提供了对PLGA-PEG-PLGA水凝胶降解机理的深入了解。在体内，对于这种水凝胶的未来临床应用也很有帮助。
【通讯简介】
俞麟，1996-2000山东大学化学学士，2000-2003南开大学有机化学硕士，2003-2007复旦大学高分子博士，2007-2011复旦大学讲师，2011-2016复旦大学副教授，2016-至今复旦大学教授。主要研究生物医用高分子材料的合成和生物医用材料领域中的应用研究。曾获教育部高等学校科学研究自然科学一等奖（项目名称：可注射性热致水凝胶，第二完成人，2014.1），第十七届中国国际工业博览会创新奖（项目名称：可注射性热致水凝胶，2015.11），中国生物材料大会青年科学家奖（2015）。
参考文献：
doi.org/10.1002/smtd.202000310
版权声明：「水凝胶」是由专业博士（后）创办的非赢利性学术公众号，旨在分享学习交流胶体类材料学的研究进展及科研信息。上述仅代表作者个人观点且作者水平有限，如有科学不妥之处，请予以下方留言更正。如有侵权或引文不当请联系作者改正。商业转载请联系编辑或顶端注明出处。感谢各位关注！
网友评论