肿瘤、伤口等组织中表现出过度的氧化应激，氧化还原响应的水凝胶在生物医学领域具有很大的应用潜力，但目前氧化还原响应的水凝胶并不能满足临床需求。海洋环境具有氧化性，海洋生物来源的材料蛋白为开发氧化还原响应的生物材料提供了自然资源。

  近日，中国海洋大学刘伟治教授课题组在《ACS Applied Materials & Interfaces》期刊上发表了题为“High-Performance Smart Hydrogels with Redox-Responsive Properties Inspired by Scallop Byssus”的论文（DOI: 10.1021/acsami.1c18610）。该论文受到扇贝足丝蛋白分泌到海水中瞬间固化的启发，重组表达了扇贝足丝关键蛋白Sbp9的部分片段CE4。研究发现其能够通过非共价键与共价键的共同作用，自聚合形成氧化还原响应的智能水凝胶。性质研究发现基于CE4的水凝胶具有独特的性质，具体包括：（1）通过调控氧化还原环境可将成胶时间控制在1-60 min；（2）通过氧化剂H₂O₂的加入可以调节水凝胶的机械性能、溶胀行为与孔径大小；（3）良好的生物相容性。此外，水凝胶表现出氧化还原响应的阿霉素（DOX）缓释，还可进一步用于细胞包封。本文受海洋附着生物的启发，发现并表征了一种具有良好的性质与功能的智能水凝胶，在组织工程与药物释放等生物医学领域有广阔的应用前景。

本文要点：

  1. CE4具有氧化还原响应的成胶时间。通过控制氧化剂H₂O₂浓度，可将成胶时间控制在1-60 min之间。

图1 Sbp9与CE4水凝胶。A. 扇贝足丝。B. Sbp9的组成。CBD：钙结合区，EGFL：表皮生长因子样结构。C. Sbp9氨基酸组成分析。D. CE4室温静置形成水凝胶的示意图。E. CE4加入H₂O₂形成水凝胶示意图。F. 不同浓度CE4室温静置成胶所需时间。G. 不同浓度CE4加入H₂O₂形成水凝胶所需时间。

  2. CE4在溶液中自聚合的驱动力。CE4在溶液中通过二硫键与离子键等非共价键自聚合并形成水凝胶。

图2. CE4自聚合的驱动力。A. 不同浓度CE4加入H₂O₂前后的形貌。B. 不同浓度CE4加入H₂O₂前后的粒径。C. CE4溶液与水凝胶的拉曼光谱。D. CE4自聚合形成水凝胶的驱动力。

  3. 水凝胶的性质。（1）水凝胶具有良好的透光度；（2）水凝胶具有可调的杨氏模量；（3）加入H₂O₂形成的水凝胶具有非溶胀的性质；（4）加入H₂O₂形成的水凝胶具有更加致密的结构。

图3. CE4水凝胶的性质。A. 水凝胶的透光度。B. 水凝胶的压缩性能。C. Sbp9水凝胶压缩过程。D. 人体部分组织与CE4水凝胶的杨氏模量。E. 水凝胶在不同NaCl中的溶胀性能。F. 水凝胶在不同温度中的溶胀性能。G. 水凝胶的微观结构。

  4. CE4水凝胶在生物医用材料领域的应用潜力。（1）水凝胶具有氧化还原响应的DOX释放性能，释放的DOX具有与游离的DOX类似的效果；（2）水凝胶能够作为3D细胞培养支架，支持细胞存活至少14天。

图4. 水凝胶在生物医用材料领域的应用潜力。A. DOX在水凝胶中的释放曲线。B. 人乳腺癌细胞MDA-MB-231细胞在载药水凝胶与游离DOX中的存活情况。C. 人乳腺癌细胞MDA-MB-231细胞在载药水凝胶与游离DOX中的活/死细胞染色。D. 细胞包封示意图。E. 细胞存活与增殖速率。F-J. 细胞封装后1 h与1、3、7和14天后的活/死细胞染色。

  中国海洋大学博士后徐平平为该论文第一作者，通讯作者为刘伟治教授。

  论文链接：https://pubs.acs.org/doi/full/10.1021/acsami.1c18610