长期以来，合成水凝胶一直是模仿生物组织用于医学应用（例如组织支架）的有吸引力的材料。实现该目标有两个主要标准：优异的机械性能和对异物反应引起的纤维囊形成的长期抵抗力。但是，这些性质通常不会在同一材料中共存，而会相互折衷，因为前者需要疏水性，而后者则需要亲水性。尽管通常使用体外蛋白质吸附，细胞粘附和细胞毒性来评估生物材料，但它们远未涉及复杂生活系统中涉及纤维囊抗性的挑战。材料在长时间植入后不会触发纤维囊形成的能力特别具有挑战性。众所周知，几乎所有的合成材料都会在植入材料后1个月内触发异物反应和纤维囊的形成。尽管已经做出许多努力来通过材料的几何形状或化学改性来减轻这种异物反应，但是超亲水的两性离子水凝胶对于解决这个问题特别有希望。

高机械强度和对纤维囊形成的长期抵抗力是可植入材料的两个主要挑战。不幸的是，这两个不同的属性并没有融合在一起，而是相互折中。最近，天津大学Dianyu Dong和华盛顿大学Caroline Tsao，Hsiang-Chieh Hung教授团队合作通过“溶胀”和“锁定”机制将两种弱性两性离子水凝胶整合到类似弹性体的高强度纯两性离子水凝胶中，从而报告了独特的材料类别。相关论文题为High-strength and fibrous capsule–resistant zwitterionic elastomers发表在《ScienceAdvances》上。这些两性离子-弹性体-网络化（ZEN）水凝胶进一步显示，在植入小鼠体内长达1年后能有效抵抗纤维囊的形成。具有高机械性能和长期纤维囊抗性的这种材料以前从未获得过。这项工作不仅证明了一类耐用且耐纤维的胶囊材料，而且还为两性离子弹性体水凝胶提供了设计原理。

作者提出了两性离子-弹性体-网络化（ZEN）水凝胶（图1A），它是通过整合两种弱性两性离子水凝胶：pCB和聚（磺基甜菜碱）（pSB）实现的。在此pCB/pSB ZEN水凝胶中，pCB是次要成分，形成紧密交联的网络以产生弹性，而pSB是主要成分，形成松散的交联网络以提供粘度。值得注意的是，pCB网络具有很高的可溶胀性，可以整合大量的pSB网络，而pSB网络则通过强大的分子间和分子内静电相互作用“锁定”了整个水凝胶。结合了出色的可溶胀性和“锁定”效果的新机制，使仅用纯两性离子成分就能获得具有高机械强度的ZEN水凝胶。作者进一步证明了三个参数（两性离子成分的类型，组合和组成）是获得ZEN水凝胶的关键。pCB/pSB ZEN水凝胶被证明可以抵抗皮下植入小鼠长达一年的纤维囊形成。

图1具有高机械性能的pCB/pSB ZEN水凝胶

用于医学应用的常规水凝胶，例如聚（乙二醇）（PEG）和聚（甲基丙烯酸2-羟乙酯）（pHEMA），具有相对较弱的机械性能，压缩断裂应力范围为0.6至3 MPa。传统的两性离子水凝胶，例如pCB，pSB和聚（2-甲基丙烯酰氧基乙基磷酰胆碱）（pMPC）也很弱，其极限约为3 MPa。相比之下，pCB / pSB ZEN水凝胶能够平稳地压缩至99％的应变，断裂应力为22.3 MPa，并在释放后保持其原始形状（图1，B和C）。同样，pCB/pSB ZEN水凝胶的拉伸应变大，为169.9％，断裂应力接近1 MPa（图1，D和E），可与生物组织（如血管）相媲美。pCB/pSB ZEN水凝胶可制成多种形状，并能够保持广泛的变形，然后恢复其原始几何形状（图1，F至H）。

为了阐明ZEN水凝胶的通用设计原理，作者研究了两个两性离子网络：pCB和pSB之间的结构-性质关系。首先，对由三种不同的pCB网络和七个pSB网络组成的一系列水凝胶进行了正交压缩试验，每种网络的单体浓度和交联剂比率都不同（图2，A至C）。对应于最佳机械强度的pSB和pCB组分的质量百分比分别为95和5％，这使pSB成为主要组分，pCB成为次要组分（图2D）。由于pCB组分的高溶胀性，因此可以整合大量的pSB组分。此外，在将pCB/pSB ZEN水凝胶浸入水中溶胀至平衡后，观察到了关键的锁定作用（图2E）。平衡后的pCB/pSB ZEN水凝胶的体积仅比其制备状态略有增加（〜9％），而其母体pCB水凝胶（1-4-0.1，单体-交联-引发剂）的体积增加较大约500％。在相同的正交研究下（图2F），观察到其他pCB/pSB制剂的体积也仅表现出很小的增加，平衡水含量（EWC）保持在60％到66％之间。

图2一系列pCB / pSB水凝胶的机械和溶胀性能

首先对pCB/pCB水凝胶进行了正交压缩试验，以检验pSB不是主要成分网络时的效果（图3，A，D和E）。不出所料，在没有pSB作为锁定主要成分网络的情况下，所有pCB/pCB水凝胶在水中达到平衡后都表现出较大的体积增加（图3F），从而导致较弱的机械性能。在所有pCB/pCB组合中，最高的断裂应力仅为pCB /pSB ZEN水凝胶的五分之一。在pSB/pCB系统中（图3，B，D，E和F），其中pSB是次要组分网络，由于水凝胶在达到平衡后增加了其原始大小的120％，因此也没有锁定作用。断裂应力仅为1 MPa左右。另一方面，在pSB/pSB系统中（图3，C至F），如预期的那样观察到了锁定效果，并且平衡体积略有增加，约为7.9％。

图3 ZEN水凝胶的基本设计原理

植入后一周，在与pHEMA水凝胶直接接触的组织界面处观察到嗜碱性变色和明显的细胞蓄积，表明是急性炎症反应（图4A）。由于已知炎症会触发胶原分泌成纤维细胞的募集以封装和分离异物，因此预计在1周后这些小鼠中会观察到初始胶原层的形成（图4，B和C）。到pHEMA水凝胶植入的第四周，已经形成了致密而成熟的胶原蛋白囊，该囊在1年后进一步增厚（图4，B和C）。

图4 pCB/pSB ZEN水凝胶在小鼠皮下植入长达1年后表现出长期的纤维囊抗性和耐久性。

相反，在1周后，在组织与植入的pCB/pSB ZEN水凝胶之间的界面上几乎没有观察到细胞（图4A），与阴性对照相似，表明它们很少或根本没有引起急性炎症。源自优异的防污性能。在本研究的整个过程中，与pCB/pSB ZEN水凝胶相邻的皮肤组织均未显示炎症迹象，也未显示任何致密的纤维囊形成，而是与阴性对照皮肤组织相似的松散的皮下结构（图4，B和C）。此外，pCB/pSB ZEN水凝胶样品在植入整整一年后仍保持其形状并高度耐用，并且没有明显的降解和机械性能损失（图4，D和E）。这表明ZEN水凝胶材料能够在体内维持长期的纤维囊抗性和耐久性。

作者报告一种“ ZEN”水凝胶，该凝胶表现出机械强度和长期的纤维囊抗性的独特组合。ZEN水凝胶的关键特征是其由两种不同的纯两性离子网络组成-具有高膨胀性的紧密交联的次要组分网络和展现关键锁定作用的疏松交联的主要组分网络。发现pCB/pSB ZEN水凝胶在大范围变形下表现出出色的弹性，减轻了纤维囊的形成，并且在皮下植入长达1年的小鼠时保持稳定而不会降解或机械强度降低。作者设想了ZEN水凝胶的耐用性和纤维胶囊抗性，为实现可植入材料的长期目标提供了一条新途径，例如软骨替代，组织修复和导管。

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DOI: 10.1126/sciadv.abc5442