合作单位：West China Hospital of Stomatology
参考文献：Zheng Wang, Yanan Zhang, Yijia Yin, et al. Advanced materials, 2022. DOI：10.1002/adma.202108300（IF =29.4）
背景：
水凝胶是一类非常宝贵的软湿材料，由于其结构和组成与天然细胞外基质相似，在生物医学工程领域引起了越来越多的关注。由于其高强度和可注射性，水凝胶被认为是在需要最少或无创治疗的承重组织中实施的理想候选者，例如用于软骨组织工程的承重组织和骨缺损的治疗。然而，迄今为止开发的大多数高强度水凝胶都存在不可逆键断裂造成的永久性损伤，从而导致剪切变稀注射性差。一般来说，水凝胶的剪切稀化效率与强度成反比。高机械强度通常源于有机溶剂中聚合物链之间强而不可逆的交联相互作用，这限制了它们的剪切稀化敏感性。然而，为了使水凝胶表现出优异的剪切稀化注射性，它必须包含动态共价键或可逆的非共价相互作用，这通常会导致机械强度差。因此，开发一种具有高机械强度和在温和条件下优良的剪切稀化注射性的水凝胶仍然是一个艰巨的挑战。
本文通过构建多氢键系统，成功制备了高强度且可注射的超分子水凝胶。它是由单体核苷分子凝胶化剂（2-氨基-2-氟-2-脱氧腺苷（2-FA））以蒸馏水/磷酸盐缓冲盐水作为溶剂的自组装构建的。2-FA水凝胶具有优异的生物相容性和抗菌活性。体内实验结果表明，与商用材料(明胶海绵)相比，2-FA水凝胶降解更快，炎症浸润更少，愈合更彻底。
方案设计：
经与魔德科技（www.modekeji.cn）技术团队沟通，拟通过分子动力学方法以dH2O为溶剂对2.5 wt% 2-FA水凝胶进行模拟，以期在纳米水平上彻底研究自组装机制。
主要结果：
将60个2-FA分子随机放置在一个周期性水盒中，50 ns后，分子自组装成短纤维结构。100纳秒后，额外的分子聚集，甚至最终形成一个大的聚集体。沿箱体z轴方向的密度分布分析表明，存在一个中心密度降低的半中空区域。此外，随着自组装的进行，系统中分子间氢键和π-π堆积的速率增加，反映了它们在自组装过程中的参与程度不断提高。
图1 2-FA水凝胶的自组装过程
2-FA水凝胶主要由糖和碱组成。为了进一步确定这些组分在自组装过程中的具体作用，还计算了它们的SASAs和它们连接的水分子的数量。随着自组装的进行，碱基部分的SASA下降了≈60%，而糖部分的SASA下降了≈40%，这表明与水分子的相互作用导致后者的SASA下降幅度小于前者。糖分子中较高的SASA分数和连接水分子的数量表明，2-FA自组装体系具有大量暴露的亲水性区域，为与水接触和形成统一的体系提供了充足的机会。此外，MD和PXRD数据表明，π-π堆积和DAPs之间的碱基对相互作用在2-FA自组装体系中起主导作用。
基于这些数据，构建了2-FA水凝胶的自组装范式，如图。当2-FA水凝胶在dH2O中溶解时，碱基对和糖-糖相互作用促进了两个方向的连接。同时，由于糖部分的吸引力，水分子聚集并紧密地连接到相邻的基础层。与水相连的碱基层之间的距离是π-π堆叠距离的两倍，表明碱基对形成后，在碱基对层之间只剩下一个2-FA分子与中间的水分子结合，进一步加强了整个体系。最后，构建了具有多个氢键体系的动态三维交联网络。这种水增强的网络吸引并捕获了额外的水分子，直到形成高强度的超分子水凝胶。
结论：
通过设计一个多氢键体系，成功地制备了一种高强度和可注射的超分子水凝胶，该水凝胶由2-FA核苷自组装。分子动力学分析和模拟计算表明，多氢键体系主要由双NH2基团、2-F原子和水分子组成。
