水凝胶具有和天然细胞外基质类似的三维网络结构,在三维细胞培养、组织工程、药物缓释以及组织粘合、密封等领域得到广泛研究与应用。水凝胶的性能与交联方式密切相关,化学交联水凝胶稳定性高,力学强度和降解时间易于调控。常见的交联反应类型包括自由基聚合反应、酶催化反应、席夫碱反应等。近十几年来,点击化学的快速发展为生物医用水凝胶的制备提供了多种多样的交联策略,如炔-叠氮环加成反应,Diels-Alder加成反应,成腙、成肟反应。交联反应的类型影响着水凝胶的成凝胶时间、力学强度、降解、生物相容性。针对不同应用条件和需求,应选择合适的交联反应来制备水凝胶。例如,高强度水凝胶优先考虑自由基聚合反应,因为其反应程度高,交联密度大;体内原位成型的水凝胶不能使用有毒的催化剂和高温、紫外等严苛的反应条件,可以选择点击反应进行交联;而用于干细胞三维培养的水凝胶更应该谨慎选择生物正交的点击反应,以避免对细胞自身生化反应的干扰。本论文以制备水凝胶的交联反应为研究重点,开发和利用高效的交联反应制备力学性质、降解时间易调控,生物相容性良好的水凝胶,探索在局部药物缓释、组织粘合密封等方面的应用。利用无铜点击反应制备可注射水凝胶,担载药物实现局部缓释;开发基于邻苯二醛与N-亲核基团反应的交联方法,所得水凝胶成胶时间短、力学强度高,具有优异的组织粘合性能;开发基于2-甲(乙)酰基苯硼酸与α-亲核基团的交联方法,水凝胶在低浓度下可在几秒内形成。具体研究内容和主要结论如下:(1)制备了降冰片烯修饰的聚L-谷氨酸和四嗪基团封端的四臂聚乙二醇,利用逆电子效应Diels-Alder加成反应制备可注射水凝胶。将两种聚合物溶液混合,数分钟内形成水凝胶,成胶时间方便于体内注射。水凝胶的成胶速率和弹性模量随聚合物浓度增大而升高,也可以通过改变反应基团比例来调节。由于聚L-谷氨酸中的肽键,水凝胶可以在弹性蛋白酶的作用下降解。利用羧基与顺铂的配位作用,将药物担载在水凝胶中;通过与氯离子发生交换,顺铂能够持续可控释放出来。载顺铂水凝胶可以抑制MCF-7肿瘤细胞的增殖,引起细胞周期阻滞。在裸鼠皮下MCF-7肿瘤模型上,载顺铂水凝胶显示出良好的肿瘤生长抑制效果,并减少全身毒性。在交联点与聚L-谷氨酸之间引入二硫键后,水凝胶可以在谷胱甘肽作用下以及在体内快速降解。(2)开发了基于邻苯二醛(OPA)与N-亲核基团(氨基、肼基、胺氧基)反应的交联方法,制备的水凝胶具有优异的成胶速率、力学强度和组织粘合性能。制备了 OPA封端的四臂聚乙二醇(4P-OPA),与N-亲核基团封端的四臂聚乙二醇交联形成水凝胶。所得水凝胶在成胶浓度、成胶时间和力学强度上均显著优于现有的苯甲醛与N-亲核基团交联体系。水凝胶具有良好的生物相容性和生理条件下的水解稳定性。小分子模型反应显示OPA与氨基反应生成苄甲内酰胺,与酰肼、胺氧基生成较稳定的异吲哚二缩醛胺中间体。OPA与氨基的反应速率常数为4.3 M-1s-1,与其他点击反应相当。4P-OPA可以作为一种通用交联剂,与羟乙基壳聚糖、肼基透明质酸、牛血清蛋白、明胶以及聚L-赖氨酸形成水凝胶,成胶速率和储能模量随浓度增大而升高。4P-OPA与多糖、蛋白质形成的水凝胶可以在相应酶的作用下快速降解。利用OPA与氨基的高效、“无痕”偶联反应,细胞黏附肽可以直接键合在水凝胶网络中,修饰后的水凝胶可以支持细胞在表面的黏附、伸展和增殖。由于OPA与组织中氨基的反应,水凝胶具有优异的组织粘合性能。在大鼠皮肤伤口模型上,水凝胶能有效实现伤口粘合,优于市售的纤维蛋白胶和氰基丙烯酸叔丁酯医用胶水。(3)开发了基于2-甲(乙)酰基苯硼酸与α-亲核基团(肼基、胺氧基)反应的交联方法实现瞬时凝胶化。从含有不同取代基的芳香醛、酮中,我们筛选出了具有超高反应活性的2-甲酰基苯硼酸(FPBA)和2-乙酰基苯硼酸(APBA)底物分子,与酰肼的反应速率常数分别达到了 109 M-1 s-1和62.4 M-1 s-1。模型反应显示,邻位的硼酸基团极大地促进了醛、酮与α-亲核基团的缩合反应。合成了 FPBA、APBA封端的四臂聚乙二醇,与α-亲核基团封端的四臂聚乙二醇交联形成水凝胶。所得水凝胶在低浓度下仍可以在几秒内快速形成,具有良好的细胞相容性。水凝胶可以在磷酸缓冲盐溶液、细胞培养基和体内逐步降解,有望成为瞬时止血密封的新型材料。