以下文章来源于ACS材料X ，作者ACS Publications
英文原题：Cascade Reaction of Thiol–Disulfide Exchange Potentiates Rapid Fabrication of Polymer Hydrogels
通讯作者：Jiwei Cui (崔基炜)
作者：Peiyu Zhang (张培育), Ning Wang (王宁), Dandan Ren (任丹丹), Zongyu Jing (荆宗渝), Kanaparedu P. C. Sekhar, Jingcheng Hao (郝京诚), Jiwei Cui* (崔基炜)
背景介绍
聚乙二醇（PEG）作为一种具有良好生物防污性能的聚合物，被广泛用于制备功能化水凝胶，例如，可通过“点击”化学反应或氢键制备PEG水凝胶。但是，由于聚乙二醇端基数量有限，导致成胶速率较低、临界凝胶浓度较高。巯基具有较高的反应活性，可氧化生成双硫键，但该反应的速率常数较小，基于该反应制备水凝胶需较长的成胶时间。巯基-双硫键交换反应具有较大的反应速率常数，例如，Ellman’s试剂（DTNB）与巯基反应的速率常数可达105 L·mol–1·s–1。因此，巯基-双硫键交换反应被广泛用于制备纳米颗粒和水凝胶等。将巯基修饰的聚合物与吡啶双硫修饰的聚合物混合，可制备具有自愈合、可降解的水凝胶，但是该方法需制备两种聚合物，合成方法繁琐，使用单一修饰的聚合物制备水凝胶的报道较少。
文章亮点
1. 在8-arm-PEG-SH溶液中加入DTNB可以自动触发巯基-双硫键交换级联反应，实现PEG水凝胶的快速制备，成胶速率为氧化交联法的20倍，且明显快于叠氮-炔“点击”化学法制备水凝胶。
2.由于水凝胶中含有未反应的TNB基团，该水凝胶可实现快速二次修饰。
3.该方法可广泛用于多种巯基修饰的聚合物快速制备水凝胶。
图文解读
DTNB与含巯基的分子发生巯基-双硫键交换反应，生成含TNB官能团的分子，该分子可进一步与含巯基的分子发生巯基-双硫键交换反应，使上述两种含巯基分子交联（图1a）。将DTNB与巯基化聚合物（如8-arm-PEG-SH）混合，即可快速制备水凝胶（图1b）。
图1.（a）巯基-双硫键交换级联反应机理图；（b）DTNB引发聚乙二醇水凝胶形成示意图。
图2. （a）PEG浓度对水凝胶成胶时间的影响；（b,c）8-arm-PEG-SH（10 kDa, 1%）在不含（b）及含（c）DTNB时静置400 min后照片；（d,e）氧化法（OPEG）与巯基-双硫键交换反应（DPEG）制备水凝胶的SEM图。
首先测定了聚乙二醇水凝胶的成胶时间，将分子量为10 kDa的8-arm-PEG-SH与DTNB溶液混合（pH 8.0），DTNB与巯基的摩尔比为0.5。以不加DTNB的8-arm-PEG-SH溶液作为对照组，该组通过氧化法实现巯基交联。实验发现，临界凝胶浓度可低至1%，并且通过巯基-双硫键交换级联反应制备的水凝胶（DPEG）具有较快的成胶速度。与氧化法制备的水凝胶（OPEG）相比，DPEG的成胶速度为OPEG的20倍（图2a）。图2b,c为8-arm-PEG-SH溶液以及8-arm-PEG-SH与DTNB混合溶液静置400 min后的倒置
，8-arm-PEG-SH与DTNB混合体系倒置后不流动，说明凝胶的形成。DPEG与OPEG水凝胶扫描电镜
表明DTNB并不会影响水凝胶形貌（图2d）。由于PEG具有良好的生物防污性能，植入体内的水凝胶也表现出低异物反应的性能。
图3. （a）DPEG水凝胶二次修饰及细胞粘附示意图；（b）DPEG水凝胶，（c）OPEG水凝胶，（d）cRGDfC修饰的DPEG水凝胶，（e）cRGDfC修饰的OPEG水凝胶，（f）未修饰孔板上U87细胞荧光显微镜照片；（g）不同基底上细胞密度的比较。
由于空间位阻效应，聚合物上的TNB基团未与巯基反应，这些未参与凝胶反应的TNB基团为水凝胶快速二次修饰提供了位点。将水凝胶分别与cRGDfC多肽（可靶向识别整合素ανβ3）溶液孵育10 min，DPEG水凝胶能粘附更多的ανβ3过表达的U87细胞，表明DPEG水凝胶能进行快速二次修饰。
除此之外，基于巯基-双硫键交换的级联反应策略可用于巯基修饰的聚合物（如聚丙烯酸、聚甲基丙烯酸）和多糖（如透明质酸、海藻酸钠）等制备聚合物水凝胶，也可以有效提高水凝胶的制备速率。
总结/展望
本工作采用巯基-双硫键级联反应的策略，以单一聚合物为基材，实现了水凝胶的快速制备，反应速率为巯基氧化法的20倍，同时该水凝胶具有快速二次修饰的特点，在生物医学领域具有潜在的应用价值。
相关论文发表在ACS Macro letters，山东大学化学与化工学院张培育副教授为第一作者，崔基炜教授为通讯作者。
转自：“ACS美国化学会”微信公众号
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