基于亚胺硼酸盐和硼酸酯键的可注射自修复水凝胶

及其多重响应性能研究*

丁晓亚1,2    王    宇1    李    杲1,2,3    肖春生1,3**    陈学思1,2,3

(1中国科学院长春应用化学研究所 中国科学院生态环境高分子材料重点实验室　长春 130022)

(2中国科学技术大学应用化学与工程学院　合肥 230026)

(3吉林省生物医用高分子材料工程实验室　长春 130022)

摘    要    报道了一种基于亚胺硼酸盐和硼酸酯键的动态共价交联水凝胶. 该水凝胶是通过2-甲酰基苯基硼酸(2-FPBA)与超支化聚乙烯亚胺(PEI)末端的伯胺基团和海藻酸钠(SA)糖单元上的顺式二醇反应形成亚胺硼酸盐-硼酸酯交联结构制得 . 该水凝胶制备过程简单，所需高分子材料无需事先进行化学修饰；成胶条件温和，在室温下混合即可快速形成水凝胶. 流变学实验表明，水凝胶力学强度随PEI、2-FPBA和SA中反应基团比例的变化而变化. 同时，由于成胶所用化学键—亚胺硼酸盐和硼酸酯键—均为动态共价键，所得水凝胶还具有良好的自修复和可注射性能，可用作3D打印的水凝胶“墨水”. 体外降解实验结果表明，水凝胶对pH值、H2O2以及多种生物分子(如半胱氨酸、谷胱甘肽以及果糖等)都具有响应性，可用作蛋白药物响应性释放的载体. 进一步体外细胞毒性实验表明，水凝胶对细胞没有明显的毒性，具有良好的生物相容性.

关键词    亚胺硼酸盐键，硼酸酯键，自修复水凝胶，可注射性，多重响应性

高分子水凝胶作为一种高度含水的三维网络

聚合物体，具有良好的生物相容性且能够在一定

程度上模拟生物体的细胞外基质，已被广泛应用

于生物医学领域，如药物缓控释载体、组织工程

和再生医学等[1~5]. 传统的水凝胶，不管是化学交联还是物理交联，其交联点和三维网络结构都是

固定的，这不仅限制了细胞在水凝胶内部的铺

展、迁移和增殖，而且还会因外力破坏作用导致

凝胶结构受损，从而大大缩短其在体内应用时的

服役时间. 因此，构建具有类似细胞外基质“动态”、“自修复”和“可重塑”等特点的水凝胶已成

为目前研究的热点[6, 7].动态共价化学键是以化学键的“断裂”和“形

成”在一定条件下处于动态平衡状态为特征的一

类共价化学键，主要包括亚胺键、腙键、硼酸酯

键、二硫键、二硒键、Diels-Alder反应所形成化

学键以及肟键等[8~11]. 基于动态共价化学键的水凝胶，其内部同时包含已反应的基团和未反应的基

团，而且这2种基团可以进行动态交换反应，这使得该类水凝胶能够具有良好的自修复性能以及

可注射性能[12~16]. 例如，Wei等发展了一系列基于亚胺键的可注射自修复水凝胶，并将其应用于

3D细胞培养和抗肿瘤药物的可控释放[17~20]；同样，Guo等开发了一系列基于亚胺键交联改性壳聚糖材料的可注射自修复水凝胶，并将其用作皮

肤创伤敷料和肌肉再生组织工程支架等 [21~23]；

Anderson等则报道了基于苯硼酸酯键的可注射自修复水凝胶，研究结果表明该水凝胶还具有葡萄

糖和pH响应性能，有望用作蛋白质药物的智能控释载体[24]. 尽管基于动态共价化学键的水凝胶研究已经取得了较大的进展，但仍然存在一些问

题，并限制了其在生物医学领域的进一步应用；

第 50 卷    第 5 期 高    分    子    学    报 Vol. 50, No. 52019 年 5 月 ACTA POLYMERICA SINICA May, 2019

* 动态共价键高分子专辑；2019-01-22收稿，2019-02-27修稿，2019-04-04网络出版；国家自然科学基金(基金号 51773196，51833010)和中国科学院青年创新促进会(项目号 2017266)资助项目.** 通讯联系人，E-mail: xiaocs@ciac.ac.cndoi: 10.11777/j.issn1000-3304.2019.19015

505 

这些问题包括：(1)由亚胺键和硼酸酯键构建的水凝胶，其在生理条件下具有良好的自修复性能和

可注射性能，但其力学性能和稳定性欠佳[25~28]；

(2)由腙键、肟键和二硫键等构建的水凝胶，其在生理条件下具有良好的稳定性和力学性能，但其

自修复性能和可注射性能则需要在一定的条件下

才能实现，比如腙键和肟键需要在偏酸性或催化

剂存在的条件下[29~32]，二硫键则需要在光照、高

pH值或氧化剂/还原剂存在的条件下[29, 33]，才能获得良好的可逆反应效果；(3)为构建上述基于动态共价化学键的水凝胶，需要对所用聚合物进行

必要的化学修饰，引入相应的可反应官能团. 因此，如何利用简便化学方法构建具有良好自修复

性能和可注射性能的水凝胶，将有利于该类水凝

胶在生物医学领域的推广应用.本文发展了一种基于2-甲酰基苯基硼酸(2-

FPBA)、伯胺基团和顺式邻二羟基基团“三组分”反应的水凝胶. 如图1所示，2-FPBA首先与超支化聚乙烯亚胺(PEI)上的伯胺基反应，获得以亚胺硼酸盐键连接的PEI+2-FPBA键合物，随后该键合物末端游离的硼酸基团进一步与海藻酸钠

(SA)糖单元上的顺式邻二羟基基团反应，生成硼酸酯键，最终形成以亚胺硼酸盐和硼酸酯键共同

交联的水凝胶. 由于亚胺硼酸盐和硼酸酯键均为动态共价键，所得水凝胶具有良好的自修复性

能、可注射性能和多重响应性能. 基于这些性

能，我们进一步探索了该水凝胶在3D打印和可控药物释放领域的潜在应用.

1 实验部分

1.1 主要原料和仪器海藻酸钠(SA，低黏度，来源于褐藻)购于

Sigma Aldrich公司. 超支化聚乙烯亚胺(PEI，Mn= 10 kDa)购于阿拉丁试剂公司. 2-甲酰基苯硼酸(2-FPBA，97%)购于希恩思生化科技有限公司.L-半胱氨酸(Cys, 99%)购于上海麦克林生化科技有限公司，还原型谷胱甘肽(GSH，98%)购于阿拉丁试剂公司. 果糖(99%)购于阿拉丁试剂公司.过氧化氢(H2O2, 30%水溶液)和盐酸(AR级)均购于国药集团化学试剂有限公司 . 噻唑蓝(MTT，98%)购于Sigma Aldrich公司.

水凝胶的力学性能测试采用Physica  MCR301型旋转流变仪(Anton Paar). 测试条件为：在振荡模式下，温度设定为37 °C，选用直径为25 mm的转子，间隙距离设定为1 mm. 测试前，用涡旋搅拌器将凝胶前体溶液充分混合，然后将

其置于样品台上，并用硅油将边缘密封以防止水

分挥发 . 扫描电子显微镜(SEM)测试采用ZeissMerlin场发射扫描电子显微镜. 圆二色谱(CD)采用英国Applied Photophysics的Chirascan圆二色谱仪测得，测试温度设定为25 °C. 荧光光谱由美国Photon Technology International的荧光分光光度计

 

=

NNH

NNH2N

NH2HN

NH2

HN

NH2N

NH2

NH2

BHO OH

O

m

OH

H

COONa

O

OH

H

COONa

OHHO

H H

OO

HO OH

HH

NNH

NNH2N

NH2HN

N

HN

NN NH2

Nm

B

OHHO

B

HO

OH

B

HOOH

NNH

NN

H2N

NH2HN

N

HN

N

NNH2

Nm

B

O

O

B

O

O

BO O

OH

H

COONa

O

O

O

H H

NaOOC

O

O

O

H

H

COONa

O

O

 Fig. 1    Schematic illustration of the formation of hydrogel through iminoboronate ester-mediated cross-linking

 

506 高    分    子    学    报 2019 年

测得.1.2 水凝胶的制备

首先，将PEI和2-FPBA按不同的胺基((PEI末端伯胺)/醛基(2-FPBA))摩尔比溶于PBS (pH = 7.4)溶液中，涡旋搅拌使其充分溶解；为使其反应完

全，将其常温放置过夜，备用. SA的PBS溶液按3 wt%配制，备用. 最后，将PEI和2-FPBA的混合溶液与3 wt%的SA溶液混合均匀，制备水凝胶.其中，PEI、2-FPBA和SA溶液的具体用量列于表1中.

1.3 水凝胶的溶胀性能测试在小瓶(直径为25 mm)中，按照表1中所给出

的比例将PEI和2-FPBA的混合溶液与3  wt%的SA溶液混合均匀，室温静置30 min；待其形成稳定的水凝胶后，用液氮快速冷冻，然后放置于冻

干机中冻干. 将冻干后的干凝胶以及小瓶称重，二者的总质量记为W0，相应的小瓶质量记为Wp.然后，将干凝胶浸泡在3.0 mL的PBS溶液(pH =7.4)中，在设定的时间间隔，用移液枪将凝胶上方的PBS溶液吸出，并用滤纸擦干瓶壁上的水分，称取凝胶和小瓶的总质量，记为Wt. 水凝胶的溶胀率通过以下公式进行计算：溶胀率

(swelling ratio) = (Wt − W0)/(W0 − Wp). 每组实验平行进行3次. 表1中所列的溶胀率为4 h时水凝胶的平衡溶胀率.1.4 水凝胶的动态力学性能测试

为研究水凝胶的力学性能与各组分加入量之

间的关系，首先在PEI和SA的含量一定的条件下，改变2-FPBA的加入量，研究储能模量(G′)和损耗模量 (G″)随时间的变化来确定交联剂2-FPBA的最佳使用量，测试应变设定为1%，频率设为1 Hz. 然后在交联剂2-FPBA(选用前述实验G′最大时的交联剂量)和SA的含量一定的条件下，改变PEI的加入量，研究储能模量(G′)和损耗模量(G″)随时间的变化来确定PEI的最佳使用量.

1.5 水凝胶的自修复性能测试为研究水凝胶的自修复性能，首先进行应变

扫描测试，测试应变范围设定为1% ~ 400%，测试频率设定为1 Hz. 当应变值大于200%时，储能模量低于损耗模量，提示水凝胶的网络结构已被

完全破坏，此时将测试应变调回1%，进行时间扫描测试，测试频率始终保持在1 Hz.

为进一步研究水凝胶的自修复性能，进行了

应变交替改变条件下的时间扫描测试. 具体测试过程如下：首先将应变设定为1%，进行时间扫描测试10 min；然后将应变设定为500%(此时，水凝胶网络已被完全破坏)，同样进行时间扫描10 min；如此反复改变测试应变进行时间扫描测试，重复测试3个循环，测试频率始终保持在1 Hz.1.6 水凝胶的可注射性能和3D打印性能测试

为研究水凝胶的可注射性能，首先利用流变

仪对其剪切变稀性质进行测试，将测试应变设定

为1%，频率设定为1 Hz，剪切速率的范围设定为0.01 ~ 1 s−1，记录储能模量(G′)和损耗模量(G″)随剪切速率的变化曲线. 另外，通过将注射器中的水凝胶挤出到水平台面上形成英文字母，进一步

说明其可注射性.为验证该水凝胶是否可以用作3D打印的材

料，将水凝胶置于20 mL的注射器内并将注射器置于自制的3D打印机上，通过计算机建模软件设

 

Table 1    Preparation and swelling properties of the hydrogels

Sample X:Y:Z a Weight of PEI b

(mg)Weight of 2-FPBAb

(mg)Volume of 3 wt% SA

solution b (μL) Swelling ratio

1 1.5:0.3:1.0 7.20 1.25 200 15.4 ± 2.52 1.2:0.3:1.0 5.70 1.25 200 12.9 ± 1.5

3 1.0:0.3:1.0 4.79 1.25 200 17.0 ± 0.3

4 0.8:0.3:1.0 3.83 1.25 200 10.9 ± 0.5

5 0.5:0.3:1.0 2.40 1.25 200 8.0 ± 0.5

6 1.0:0.8:1.0 4.79 3.34 200 10.4 ± 1.97 1.0:0.5:1.0 4.79 2.08 200 14.2 ± 0.8

a X denotes the relative molar amount of primary amino groups in PEI, Y denotes the relative molar amount of 2-FPBA, and Zdenotes the relative molar amount of monosaccharide unite in SA; b The final concentration of PEI, 2-FPBA and SA in eachsample was keep at about 5 wt%. 

5 期 丁晓亚等：基于亚胺硼酸盐和硼酸酯键的可注射自修复水凝胶及其多重响应性能研究 507

计字母图案“A”，并适当地调节氮气的通气速度使水凝胶可以匀速挤出到打印板上进行逐层打印.1.7 水凝胶的多重响应性能评价

首先，分别配制含有0.1、1和10 mmol/L的H2O2，Cys，GSH或果糖的PBS溶液，以及不同pH值(pH值为2.5、5.0和7.4)的PBS溶液，用作水凝胶降解测试的介质溶液. 随后，在小瓶(直径为25 mm)中制备稳定的水凝胶(总体积约为0.5 mL)，然后分别加入2.5 mL的上述降解溶液，并将其放置在37 °C的恒温振荡培养箱中. 在设定的时间间隔，取出上部降解液，对凝胶进行称重，并重新

加入新的降解溶液. 每组实验平行进行3次.经过一段时间的降解实验，将降解中的水凝

胶用液氮快速冷冻，冷冻干燥后通过扫描电镜

(SEM)观察凝胶的微观形貌变化.1.8 水凝胶的响应性药物释放行为

将BSA-FITC与成胶溶液混合，待其形成稳定的水凝胶后，分别加入2.0 mL含H2O2、GSH、Cys或果糖)的释放溶液(浓度均为1 mmol/L)，并将其放置在37 °C的振荡培养箱中. 在设定的时间间隔，取出1 mL的释放溶液，再加入1 mL新鲜的释放溶液. 释放溶液利用荧光分光光度计测定BSA-FITC的含量，设定激发波长为490 nm. 为验证释放液中BSA是否还保持良好的生物活性，利用圆二色谱对释放溶液进行表征. 具体操作如下：取不同条件下的释放溶液，将其装入光程为

10 mm的石英比色皿中，测定释放液在不同波长下的吸收值，扫描波长范围为180 ~ 260 nm，扫描速度为0.5 nm/s，狭缝宽度为1 μm.1.9 水凝胶的细胞毒性测试

水凝胶的细胞毒性采用MTT比色法进行评价. 所用细胞系为人肺癌细胞A549、人宫颈癌细胞HeLa和小鼠成纤维细胞L929. 所选细胞来自不同的组织，可用于充分验证水凝胶是否具有细胞

毒性. 所用细胞培养于DMEM培养基中；DMEM培养基中含有10%胎牛血清、50 IU/mL青霉素和50 IU/mL链霉素；培养条件为37 °C，5% CO2的无菌培养箱.

将细胞分别种植在96孔板中(8000个细胞 /孔，200 μL DMEM/孔)，在37 °C，5% CO2的无菌培养箱中培养12 h. 加入不同含量的水凝胶样品(3.6、1.8、0.9、0.45和0.225 mg/mL)，继续培养

24 h.  随后，利用MTT进行处理，再用酶标仪(Bio-Rad  680  microplate  reader)测定每个孔在490 nm处的吸光度，计算细胞的存活率.

2 结果与讨论

2.1 水凝胶的制备及表征首先将PEI与2-FPBA按一定比例混合溶于

PBS溶液中(图1)，常温放置过夜，使2-FPBA的醛基充分与PEI的伯胺基团反应生成亚胺硼酸盐键；然后，将该混合液和SA溶液混合，数秒钟内即可形成稳定的水凝胶(图2(a)). 然而，在相同的浓度条件下，如果只混合PEI和SA溶液则不能形成水凝胶(图2(b))，这表明在较低的浓度下，PEI和海藻酸钠并不能形成离子复合物，同时也表明

2-FPBA在水凝胶中起到了交联PEI和SA的关键作用. 为了详细研究这种交联作用，利用1H-和11B-NMR进行表征，结果如图2(c)和2(d)所示 . 将PEI与2-FPBA混合后，2-FPBA中醛基的H共振峰(δ = 9.82)完全消失，同时在δ = 8.24处出现新的H共振峰(归属为席夫碱基团中的H共振峰)，而且苯环上的H共振峰也整体向高场移动，这表明2-FPBA中的醛基快速地与PEI中的伯胺基团反应形成席夫碱；此外，11B-NMR谱图显示，2-FPBA中的B共振峰从δ = 30.48位移至δ = 7.19，这表明2-FPBA中的硼酸基团与形成的席夫碱键之间可能发生了N-B配位作用，即形成亚胺硼酸盐键[34].随后，将PEI+2-FPBA混合溶液与SA溶液混合，可以看到，1H-NMR谱图上席夫碱基团中的H共振峰保持不变，但苯环上的H共振峰整体向高场轻微移动；同时，11B-NMR谱图显示B共振峰从δ= 7.19位移至δ = 7.74，这表明2-FPBA中的苯硼酸基团已与SA糖单元上的顺式邻二羟基反应生成硼酸酯键[35]. 这样，2-FPBA首先与PEI的伯胺基反应，获得以亚胺硼酸盐键连接的PEI+2-FPBA键合物，随后该键合物末端游离的硼酸基团进一

步与SA糖单元上的顺式邻二羟基反应生成硼酸酯键，从而达到交联PEI和SA分子形成稳定水凝胶的目的(图1). 考虑到水凝胶中的交联化学键—亚胺硼酸盐键和苯硼酸酯键均是动态共价键，我

们猜测所得水凝胶将具有自修复和可注射性能，

这将在下文进行详细表征.为了阐明不同PEI、2FPBA和SA组成对水凝

508 高    分    子    学    报 2019 年

胶性能的影响，系统研究了不同PEI、2-FPBA和SA投料比条件下水凝胶的溶胀性能和力学性能.为了方便描述PEI、2-FPBA和SA在水凝胶中的含量，我们用X、Y、Z分别代表PEI中伯胺基团、2-FPBA和SA中单糖单元的相对物质的量. 测试过程中，SA的加入量保持不变，初始浓度为3 wt%，设定每次加入的SA中所含单糖单元的相对物质的量Z = 1.0. 不同组成的水凝胶的平衡溶胀率列于表1中. 结果表明，当固定PEI和SA的含量(X:Z =1.0:1.0，对应表1中样品3、6和7)时，水凝胶的溶胀率随着2-FPBA加入量的减少而升高；这是因为2-FPBA的减少降低了水凝胶的交联密度，从而有利于水凝胶的溶胀. 同时，这个结果也再次证明了2-FPBA在水凝胶中起到了交联PEI和SA的关键作用 . 当固定 2-FPBA和SA的含量 (Y:Z  =

0.3:1.0，对应表1中样品1 ~ 5)时，水凝胶的溶胀率随着PEI含量的增加表现出先增加后下降的趋势. 这可能是因为在固定交联密度条件下，亲水性PEI含量的增加有利于增加水凝胶的吸水性能，表现为溶胀率增加；然而过多的PEI可能导致凝胶中的交联密度下降，样品1和2在溶胀后期发生碎裂，从而导致溶胀率有所下降. 不同组成的水凝胶的力学性能测试结果如图2(e)和2(f)所示. 在所有的混合比例下，G′迅速增加，并很快达到平衡，而且所有样品的G′均远大于相应的Gʹʹ，这表明2-FPBA分子能够将PEI和SA交联形成稳定的水凝胶 . 如图2(e)所示，当固定PEI和SA的含量(X:Z = 1.0:1.0)时，G′随着2-FPBA加入量的减少而增大；当Y = 0.3时，G′达到最大值.这可能是因为2-FPBA含量越高时，成胶时间越

 

0 200 400 600 800 1000 1200

10

100

G', G

'' (P

a)

G', G

'' (P

a)

Time (s)

1:0.8:1 1:0.5:1 1:0.3:1

1:0.8:1 1:0.5:1 1:0.3:1

G' G''

X:Y:Z

0 400 800 1200 1600

101

102

103

X:Y:ZG''

G'

1.5:0.3:1 1.2:0.3:1 1.0:0.3:11.5:0.3:1 1.2:0.3:1 1.0:0.3:10.8:0.3:1 0.5:0.3:10.8:0.3:1 0.5:0.3:1

Time (s)

G'

G''

(e) (f)

(a)

(c) −CHO (d)

SAGel

+

(b)

SA

+

PEISol

10 9 8 7

2-FPBA

PEI+2-FPBA

PEI+2-FPBA+SA

50 40 30 20 10 0 −10 −20δ

2.4

1.96

7.74

7.15

19.37

30.48

2-FPBA

PEI+2-FPBA

PEI+2-FPBA+SA

CH=N

δ

PEI+2-FPBA

 Fig. 2      (a)  Formation  of  hydrogel  by  mixing  SA  solution  with  PEI+2-FPBA  solution;  (b)  Unsuccessful  gelation  whensimply mixing PEI and SA solution; (c) 1H-NMR and (d) 11B-NMR spectra of 2-FPBA, PEI+2-FPBA mixture, and PEI+2-FPBA+SA mixture in D2O;. (e, f) Time sweep rheological tests of hydrogels formed by PEI, 2-FPBA, and SA at differentfeeding ratios (X denotes the relative molar amount of primary amino groups in PEI; Y denotes the relative molar amount of2-FPBA; Z denotes the relative molar amount of monosaccharide unite in SA.)

 

5 期 丁晓亚等：基于亚胺硼酸盐和硼酸酯键的可注射自修复水凝胶及其多重响应性能研究 509

短，反而不利于凝胶内部形成规则的三维网络结

构 . 如图2(f)所示，当固定2-FPBA和SA的含量(Y:Z = 0.3:1.0)时，G′随着PEI加入量的增加呈现先增大后降低的现象；在X = 0.8时，G′达到最大值. 这可能是因为过高浓度的PEI反而会降低凝胶体系的交联密度. 因此，在后续的实验中，我们将使用X:Y:Z比例为0.8:0.3:1.0的水凝胶作为研究对象.2.2 水凝胶的自修复性能

利用动态共价键交联的水凝胶网络一般都具

有良好的自修复性能，即在较大外力的作用下，

网络结构遭到破坏，但在撤去外力时，凝胶的形

状和力学性能又能快速恢复到初始状态. 为了表征水凝胶的自修复性能，首先利用流变仪进行应

变扫描测试. 如图3(a)所示，在一定的应变范围内(

凝胶的自修复性能，我们将一个完整的心形凝胶

切成两半，然后将2个切开的凝胶重新组合在一起，室温放置20 min后，凝胶自动愈合成一个完整的心形凝胶(图3(d))，这也说明了所制备水凝胶具有良好的自修复性能.2.3 水凝胶的可注射性能和3D打印性能

利用动态共价键交联的水凝胶的另外一个重

要特征是具有可注射性能，即剪切变稀性能，给

予一定的剪切作用力，水凝胶的流动性增加，表

现出可注射性能. 为了验证水凝胶的可注射性能，首先利用流变仪测试了剪切速率对水凝胶黏

度的影响. 实验结果表明，水凝胶的黏度随着剪切速率的增加迅速降低，这表明水凝胶网络结构

中的动态共价键可以在外界剪切力的作用下被破

坏，使得水凝胶的流动性增加(图4(a)). 为了更加直观地说明水凝胶的剪切变稀行为，将形成的水

凝胶装入注射器中(注射器的针头型号为25G，内径0.26 mm)，推动注射器活塞可以顺利地将水凝胶通过针头挤出，且可以形成具有完整线条的英

文单词“LOVE”(图4(a))，这进一步表明水凝胶具有良好的可注射性能. 此外，通过应力扫描测试

发现，水凝胶具有较高的屈服应力，为568 Pa(图4(b))，这说明水凝胶具有较好的保持立体形态的能力. 而且，水凝胶频率扫描测试结果显示，储能模量G′在测试频率范围内基本保持不变，这说明该凝胶网络具有良好的稳定性(图4(c)). 这些性质都提示该水凝胶可能用作3D打印的“墨水”[37, 38].为此，我们使用一台自制的3D打印机，通过计算机建模软件设计字母图案“A”，并通过调节自动挤出速度，将水凝胶匀速挤出到打印板上，进行

逐层打印. 所得3D打印的字母“A”具有规则的形状，且能长时间保持稳定的立体结构(图4(d))，这表明该水凝胶是一种性能良好的3D打印凝胶“墨水”，有望应用于3D生物打印.2.4 水凝胶的多重响应性能

据文献报道，亚胺硼酸盐键具有pH、氧化和内源性生物分子(如半胱氨酸、谷胱甘肽、糖类)等响应性能[34, 39, 40]；同时，苯硼酸酯键也是一种

具有pH、氧化和糖类分子敏感的动态化学键[24, 41]，这表明利用2-FPBA交联获得的水凝胶也将具有pH、氧化和内源性生物分子等多重响应性能. 为了验证这些性能，分别测试了在不同pH值、不同

 

10−1 101

0

0.5

1.0

1.5

2.0

Vis

cosi

ty ×

10−4

(P

a·s)

Shear rate (s−1)10−1 100 101 102 103

G'G''

Shear stress (Pa)

20 40 60 80 10010−1

100

101

102

103

Frequency (rad/s)

G'

G''

G', G

'' (P

a)

G', G

'' (P

a)

100

101

102

103

5 mm

a b

c d

 Fig. 4    (a) Viscosity measurement of the hydrogel; (b) Oscillatory stress sweep test of the hydrogel; (c) Angular frequencysweep test of the hydrogel; (d) Schematic and photograph of 3D printing

 

5 期 丁晓亚等：基于亚胺硼酸盐和硼酸酯键的可注射自修复水凝胶及其多重响应性能研究 511

氧化剂(H2O2)浓度和不同内源性生物分子(GSH、Cys和果糖)浓度条件下，水凝胶的体外降解性能，结果如图5(a) ~ 5(f)所示. 在pH = 7.4的PBS溶液中，水凝胶首先吸水溶胀；大约24 h后，水凝胶质量逐渐减小，直至完全消失(图5(a))，这表明在正常生理条件下，水凝胶会逐渐释放小分子

交联剂2-FPBA，从而达到缓慢降解的目的. 此外，实验结果还表明，随着pH值的降低，凝胶降解速率明显增加(图5(a))，这是因为在低pH值条件下，亚胺硼酸盐键和硼酸酯键均会解离(图5(g1)).类似地，在加入不同浓度的H2O2、GSH、Cys或果糖时，水凝胶均表现出先溶胀后降解，且降解

 

0 20 40 60 80 100 120 140

0

20

40

60

80

100

120

140

160

Mas

s re

mai

nin

g (

%)

Time (h)

pH = 7.4pH = 5.0pH = 2.5

0 20 40 60 80 1000

20

40

60

80

100

120

140

Mas

s re

mai

nin

g (

%)

Time (h)

0.1 mmol/L1 mmol/L10 mmol/L

0 20 40 60 80 1000

20

40

60

80

100

120

140

160

Mas

s re

mai

nin

g (

%)

Time (h)

0.1 mmol/L1 mmol/L10 mmol/L

0 20 40 60 80 1000

30

60

90

120

150

Mas

s re

mai

nin

g (

%)

Time (h)

0.1 mmol/L1 mmol/L10 mmol/L

0

20

40

60

80

100

120

140

Mas

s re

mai

nin

g (

%)

0 5 10 15 20 25 30 35 40

Time (h)

0.1 mmol/L1 mmol/L10 mmol/L

H2O2 GSH Cys Fructose HC1

a b c

d e (f)

N

BO

O

N

NH2

NH2

N

NH2

O

BOH

OH+ +

HClO

COONaO

NaOOC

HO OH

N

BO

O

N

NH2

O

COONa

H2O2N

N

NH2

OH

ONaOOC

HO OH

+

(g1)

(g)

(g2)

HS O

NH2

OR

O

HS O

OR

N

B OH

OH

B OH

NHS

H OH

OR

O

N

BO

O

N

NH2

O

COONa

OH

OH

O

OH

HO

HO

N

B

N

NH2

O

OHO

OH

HO

OO

NaOOC

HO OH

+

R=H, Cys

R=EG, GSH(g3)

(g4)

h1 h2 h3

h6h5h4 50 μm

(h)

BOH

OH

50 μm 50 μm 50 μm

50 μm50 μm 

Fig. 5      Degradation  behaviors  of  the  hydrogel  at  different  pHs (a)  or  in  the  presence  of  H2O2  (b),  Cys  (c)  GSH (d),  orfructose (e) at different concentrations; (f) Photographs of the hydrogels before and after degradation; (g) Mechanisms ofhydrogel degradation at low pH (g1) or in the presence of H2O2 (g2), Cys (g3), GSH (g3), or fructose (g4); (h) SEM imagesof the hydrogels before (h1) and after degradation at low pH (h2) or in the presence of H2O2 (h3), Cys (h4), GSH (h5), orfructose (h6)

 

512 高    分    子    学    报 2019 年

速率随着上述物质加入量的增加而加快(图5(b) ~5(e)). 这是因为在降解初期，上述分子会导致水凝胶内部交联点减少，表现为凝胶溶胀[42]；但随

着交联点进一步减少甚至完全消失，表现为凝胶

质量逐渐降低，直至完全消失，这与pH响应性降解行为类似. 尽管上述水凝胶的降解行为类似，但其降解机制却不同. 如图5(g)所示，H2O2主要通过降解硼酸基团，半胱氨酸Cys、谷胱甘肽GSH和果糖则通过竞争性结合2-FPBA分子来破坏水凝胶的交联结构，进而实现水凝胶的缓慢降

解. 同时，我们还通过扫描电镜观察了水凝胶在降解过程中的微观结构变化. 如图5(h)所示，正常情况下，水凝胶呈现比较规则的多孔网络结构(图5(h1))；而经过一段时间的降解后，水凝胶中的多孔结构消失，呈现出不规则的形貌结构，这表

明水凝胶的三维网络结构已经遭到严重破坏. 综上，体外降解实验表明，所制备的水凝胶具有明

显的多重响应性能，有望用作药物可控释放的载

体以及具有可控降解性能的3D细胞培养支架.2.5 水凝胶的响应性药物释放行为

基于水凝胶的多重响应性能，我们进一步研

究了水凝胶的响应性药物释放行为. 将BSA-FITC作为模型药物担载入水凝胶中，研究其在H2O2氧化和多种内源性生物分子(GSH，Cys和果糖)存在条件下的体外释放行为，结果如图6所示. BSA-FITC在pH = 7.4的PBS溶液中，释放相对较慢；然而，因为水凝胶的溶胀以及缓慢降解作用，

BSA-FITC在24 h的累积释放量仍可达到70%. 相对而言，BSA-FITC在响应性介质中的释放速率更快，而且其在24 h的累积释放都接近100%，这表明该水凝胶具有多重响应药物释放性能. 对释放后的BSA-FITC进行二级结构测试，结果表明在不同的介质中释放的BSA-FITC都具有与BSA标准品一样的二级结构(图6(b))，这说明水凝胶在担载和释放过程中并未使蛋白质药物分子

失活. 上述结果表明，所制备的水凝胶有望用作大分子药物响应性控释的载体.2.6 水凝胶的生物相容性评价

通过MTT比色法评价了水凝胶的生物相容性，结果如图7所示. 当培养基中的凝胶浓度达到3.6 mg mL−1时，A549细胞和HeLa细胞的存活率仍保持在100%左右. 对于L929细胞，当培养基中

的凝胶浓度较高时，细胞存活率有所下降，但仍

然保持在80%以上. 上述结果表明该水凝胶对细胞都没有明显的毒性，具有良好的生物相容性.这里需要指出的是，一般而言，高分子量的

PEI均具有较大的细胞毒性，然而上述结果显示

 

0 10 200

20

40

60

80

100

Cu

mu

lati

ve

rele

ase

(%)

Time (h)

PBS

H2O2

GSH

Cys

Fructose

a

BSA PBS

GSH Cys Fructose

−40

−30

−20

−10

0

10

20

Ell

ipti

city

(m

deg

)

200 210 220 230 240Wavelength (nm)

H2O2

b

 Fig. 6      (a) In vitro drug release behaviors  of  BSA-FITC-loaded hydrogels in the absence or presence of 1 mmol L−1

H2O2, GSH, Cys, or fructose (Data are presented as mean ±SD with n = 3);  (b) CD spectra of the BSA-FITC samplesobtained after release from the hydrogels

 

 

0

20

40

60

80

100

120

Cel

l vab

ilit

y (

%)

Concentration (mg/mL)3.61.80.90.450.225

A549 HeLa L929

 Fig. 7    Cytotoxicity of the hydrogel towards different celllines

 

5 期 丁晓亚等：基于亚胺硼酸盐和硼酸酯键的可注射自修复水凝胶及其多重响应性能研究 513

该水凝胶具有良好的生物相容性，这可能是因为

PEI已经被交联“固定”到水凝胶的三维网络中，使其很难与细胞直接接触，从而表现出较低的细

胞毒性.

3 结论

本文报道了一种由亚胺硼酸盐和硼酸酯键交

联的新型动态共价交联水凝胶. 该水凝胶的力学强度随着反应基团摩尔比的变化而变化. 同时，该水凝胶具有快速的自修复性能和良好的可注射

性能，可以用作3D打印的水凝胶“墨水”. 此外，所制备水凝胶还具备pH、H2O2和生物分子(如半

胱氨酸、谷胱甘肽、糖类等)等多重响应性能，可以用作智能药物控释载体. 体外细胞毒性实验结果表明水凝胶具有良好的生物相容性. 需要指出的是，本研究中用于制备水凝胶的高分子材料均

无需事先进行化学修饰，且成胶过程条件温和，

这使得该水凝胶制备方法可以拓展到使用其他的

具有多胺基基团的合成或天然高分子材料，甚至

使用含较多胺基基团的天然蛋白质作为水凝胶的

构建基材，从而获得更多兼具自修复性能、可注

射性能和生物活性的智能水凝胶，有望在组织工

程支架、药物控释载体以及3D生物打印等领域取得广泛应用.

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514 高    分    子    学    报 2019 年

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42

Iminoboronate Ester Cross-linked Hydrogels with Injectable, Self-healingand Multi-responsive Properties

Xiao-ya Ding1,2, Yu Wang1, Gao Li1,2,3, Chun-sheng Xiao1,3*, Xue-si Chen1,2,3

(1Key Laboratory of Polymer Ecomaterials, Changchun Institute of Applied Chemistry,Chinese Academy of Sciences, Changchun 130022)

(2School of Applied Chemistry and Engineering, University of Science and Technology of China, Hefei 230026)(3Jilin Biomedical Polymers Engineering Laboratory, Changchun 130022)

Abstract Injectable self-healing hydrogels are fancy candidates for biomedical applications, especially in suchareas as minimally invasive surgical procedures, interventional therapy, and 3D bio-printing. Herein, a general androbust  synthetic  route  to  injectable  self-healing  hydrogels  was  developed  based  on  a  facile  three-componentreaction  between  the  primary  amine  groups  in  hyperbranched  poly(ethylenimine)  (PEI),  2-formylphenylboronicacid (2-FPBA), and the cis-diols in sodium alginate (SA). Briefly, 2-FPBA reacted with PEI at first to generate aPEI/2-FPBA conjugate through forming iminoboronate bonds.  The residual  boronic acid groups in PEI/2-FPBAconjugate further reacted with cis-diols in the sugar unite of SA to generate iminoboronate ester linkages, therebyyielding  the  target  product  of  hydrogels.  The  formation  of  iminoboronate  and  boronic  acid  ester  bonds  iniminoboronate  ester  linkages  was  confirmed  by  1H-  and  11B-NMR spectra.  Dynamic  rheological  measurementsrevealed that the storage modulus (G′) of hydrogels was dependent on the feeding molar ratios of primary aminegroups in PEI, 2-FPBA, and sugar units in SA. Moreover, the resulting hydrogels exhibited excellent self-healingand  shear-thinning  properties,  given  that  both  iminoboronate  and  boronic  acid  ester  bonds  are  well  known  asdynamic  covalent  bonds.  Based  on  these  attributes,  the  hydrogels  prepared  were  expected  to  have  successfulapplication  in  3D printing  by  serving  as  a  hydrogel  “ink”.  In  addition,  their  responsiveness  towards  pH,  H2O2,cysteine (Cys), glutathione (GSH), and fructose allowed an accelerated degradation process in acidic medium or inthe presence of H2O2, Cys, GSH, or fructose; Scanning electron microscopy (SEM) observation further suggesteda significant destruction of their porous structure after a period of degradation. As a result, these hydrogels provedquite  applicable  for  the  delivery  of  protein  therapeutics  with  multi-responsive  drug  release  properties.  Theirminimal  cytotoxicity  towards  A549,  HeLa,  and  L929  cells  was  also  confirmed  by  the  MTT  assay.  It  is  worthmentioning  that  with  2-FPBA  functioning  as  the  cross-linker,  many  other  amine  groups-rich  polymers,  evennatural  proteins,  can  be  used  to  fabricate  dynamic  hydrogels  with  injectable,  seal-healing,  and  multi-responsiveproperties. Therefore, hydrogels prepared from the strategy proposed in this study may hold tremendous potentialsin tissue engineering, drug delivery, and 3D bio-printing.Keywords Iminoboronate, Boronic acid ester, Self-healing hydrogel, Injectability, Multi-responsiveness

* Corresponding author: Chun-sheng Xiao, E-mail: xiaocs@ciac.ac.cn

5 期 丁晓亚等：基于亚胺硼酸盐和硼酸酯键的可注射自修复水凝胶及其多重响应性能研究 515

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