什么是PEGDA水凝胶？
聚乙二醇二丙烯酸酯（PEGDA）水凝胶是一种合成水肿型聚合物网络，由经丙烯酸酯端基功能化的PEG链通过化学交联形成。 PEG本身是一种亲水性、非离子型聚合物，通过环氧乙烷的工业聚合制得，因其化学稳定性高且毒性低，被广泛应用于生物医学领域。 PEGDA是通过PEG与含丙烯酸酯的试剂反应合成的，该反应在链的两端引入了反应性碳-碳双键。这些官能团能够通过自由基聚合迅速形成网络，并在与细胞和生物活性分子相容的温和条件下，将液态前体溶液转化为固态水凝胶。
PEGDA水凝胶的主要性质
理化特性
PEGDA水凝胶是通过化学交联反应形成的，该反应会形成具有高含水量和可调结构的共价网络。凝胶化通常通过光聚合实现：光照会激活光引发剂，产生自由基，从而触发丙烯酸酯基团的聚合。
主要理化特征包括：
- 聚合机理：丙烯酸酯基团之间的自由基加成反应。
- 交联策略：利用生物相容性光引发剂进行光激发光聚合。
- 网络结构：均匀、高度水合的聚合物网络。
- 环境敏感性：凝胶化动力学和网络密度取决于光照强度、曝光时间、聚合物浓度和分子量。
由于PEG链具有高度的移动性且不易吸附蛋白质，PEGDA水凝胶本质上具有生物惰性，可提供一种能够进行精确设计的“空白”基质。
力学性能
PEGDA水凝胶的力学性能具有高度可调性，并与网络结构直接相关。通过调整配方参数，PEGDA水凝胶的刚度范围可覆盖许多软组织的刚度范围。
机械性能的主要决定因素包括：
- 交联密度：提高聚合物浓度或降低PEG分子量会导致刚度增加。
- 网络连接性：引入竞争性反应基团会降低有效交联程度，并使凝胶变软。
- 膨胀行为：吸水性会影响弹性、渗透性和力学稳定性。
- 降解机制：可降解片段经水解或酶解作用后，会随着时间推移逐渐变软。
这种可调性使得能够独立控制刚度、渗透性和降解动力学，这对力学生物学研究至关重要。
生物相互作用
未经修饰的PEGDA水凝胶能够抵抗非特异性蛋白质吸附和细胞粘附。为了增强生物活性，通常会通过肽、蛋白质或生长因子对PEGDA网络进行生物功能化修饰。
生物相互作用可包括：
- 细胞黏附：通过共价结合黏附肽（如RGD）可实现整合素介导的附着。
- 生物相容性：PEGDA水凝胶无毒且免疫原性极低。
- 可控降解：通过引入对酶敏感的肽序列，可实现细胞介导的重塑。
- 生物化学信号传导：固定化的生长因子或配体向被包封的细胞提供空间可控的信号。
这种模块化设计使得能够精确调控细胞与基质的相互作用。
PEGDA水凝胶的应用
组织工程
由于PEGDA水凝胶具有可调的力学性能和可定制的生物活性，因此被广泛用作组织工程的支架。通过调整其刚度、降解速率和生化信号，使其与目标组织相匹配，这些水凝胶已被设计用于支持软骨、骨骼、血管、肝脏和心肌组织的形成。
3D细胞培养与疾病模型
在三维细胞培养中，PEGDA水凝胶为研究细胞行为、分化和疾病进展提供了可控的微环境。其明确的组成使研究人员能够系统地探究基质刚度、配体密度和可降解性如何影响肿瘤侵袭、血管生成和干细胞命运等过程。
药物、基因与细胞递送
PEGDA水凝胶被用作药物、基因和细胞的递送平台。通过调节其网孔大小和降解特性，可以控制释放动力学；而可注射和原位交联型制剂则实现了微创给药。
为何PEGDA水凝胶的粘弹性至关重要
尽管常被描述为弹性材料，但PEGDA水凝胶表现出粘弹性行为，这对其生物学和功能性能产生影响。随时间变化的应力松弛和能量耗散会影响细胞感知机械信号、铺展、迁移以及重塑周围环境的方式。 在组织工程和疾病模型中，粘弹性决定了载荷分布、长期力学稳定性，以及在降解或细胞驱动的重塑过程中基质性质的演变。因此，控制粘弹性特性对于再现与生理相关的力学环境至关重要。
表征PEGDA水凝胶粘弹性特性的方法
PEGDA水凝胶的力学性能通常通过体流变测定、压缩试验和拉伸试验来表征。这些技术可测定弹性模量、储能模量和损耗模量，以及光交联完成后材料失效时的行为。 然而，传统方法通常需要物理接触、破坏性加载或终点测量，这限制了其监测光交联动力学、光照过程中早期网络形成，或同一样品中长期力学演变的能力——特别是在无菌或含细胞的条件下。
案例研究：利用ElastoSens™ Bio对PEGDA水凝胶进行力学表征
ElastoSens™ Bio：一种用于测量软质PEGDA水凝胶的无损检测工具
该 ElastoSens™ Bio 是一款 该无损机械测试平台专为PEGDA水凝胶等柔软、含水材料设计。其工作原理是向样品施加轻微振动，并在不进行物理接触且不产生大变形的情况下测量其粘弹性响应。 该方法能够实时监测光交联过程，识别光照过程中的液-凝胶相变点，并以高灵敏度和高重复性精确测量最终刚度。 由于同一试样可在无菌条件下反复测试，ElastoSens™ Bio非常适合用于研究PEGDA水凝胶在光交联、培养和降解过程中的力学特性。
为了展示 ElastoSens™ Bio 的功能，我们对基于 PEGDA 的水凝胶进行了一系列测试。 下一节概述了所采用的材料和方法，随后将介绍测试结果，以此提供一个实例，展示该仪器在无损监测粘弹性特性以及光交联随时间推移引起的力学演变方面的能力。
材料与方法
PEGDA 是一种基于聚乙二醇（PEG）的二丙烯酸酯，在 2,4,6-三甲基苯甲酰基膦酸锂（LAP）存在下可发生光聚合。 在 405 nm 蓝光照射下，LAP 会产生自由基，从而引发 PEGDA 丙烯酸酯基团的交联反应。
PEGDA浓度在5%至12%（质量分数）之间变化（共15种条件）。 将3%（w/w）的LAP母液（Belwezda，Sigma-Aldrich）用蒸馏水溶解，在40 °C下放置30分钟，然后稀释至0.5%（w/w）的LAP溶液。 将液态 PEGDA（Sigma-Aldrich）加入 LAP 溶液中，并在 40 °C 下混合 4 小时。制剂在 4 °C 下避光保存。
剪切储能模量（G′）是在25 °C下，使用ElastoSens™ Bio仪器，在405 nm波长、8 mW/cm²光强条件下测得的。 测量时间为 500 秒（时间步长为 3 秒），包括 2 分钟的无光时间（用于温度平衡），随后是 6 分钟的光照。
结果与讨论
PEGDA水凝胶的最终剪切储能模量（G′）随PEGDA浓度的增加而增大，在测试范围内（5–12% w/w）跨度近两个数量级（图1）。 较低的PEGDA浓度（5–6.5%）形成了更柔软的网络结构（G′< 6 kPa），而随着PEGDA含量的增加，刚度随之升高，在12%时达到约60 kPa。这种非线性增刚现象反映了随着PEGDA浓度升高而增加的交联密度。
未来的研究可系统地改变光照强度、照射时间及温度，以进一步调节凝胶化动力学和最终力学性能，从而精确调控PEGDA水凝胶的刚度，以满足特定应用的要求。
图1。 通过LAP引发的光聚合（405 nm，8 mW/cm²）制备的PEGDA水凝胶在25 °C下测得的最终剪切储能模量G′。
结论与展望
PEGDA水凝胶的力学行为——受网络交联、粘弹性和随时间变化的演变所支配——对其在组织工程、3D培养和给药系统中的性能至关重要。 由于PEGDA凝胶质地柔软、含水量高，且通常通过光交联形成，因此必须以高时间分辨率且尽可能减少干扰的方式对其力学性能进行表征。
利用 ElastoSens™ Bio 进行无损粘弹性表征，可实现：
- 专为软性PEGDA水凝胶设计的高灵敏度、可重复性测量方法。
- 对凝胶化动力学的实时监测及液-凝胶相变的识别。
- 通过集成光刺激对光交联后端部刚度的直接测量。
- 对同一试样进行纵向测试，以追踪其在无菌条件下的力学变化。
这些能力共同促进了PEGDA水凝胶系统在研究和生物医学应用中的可控性、可重复性以及转化应用。
参考文献
Hakim Khalili, M., Zhang, R., Wilson, S., Goel, S., Impey, S. A., & Aria, A. I. (2023). Additive manufacturing and physicomechanical characteristics of PEGDA hydrogels: recent advances and perspective for tissue engineering. Polymers, 15(10), 2341.
Moore, E. M., & West, J. L. (2019). Bioactive poly (ethylene glycol) acrylate hydrogels for regenerative engineering. Moore, E. M., & West, J. L. (2019). Bioactive poly (ethylene glycol) acrylate hydrogels for regenerative engineering.
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