与其他刺激（例如pH和温度）相比，光具有显着的优势，即可以对交联过程进行时空控制，从而可以根据用户要求调整水凝胶的结构和性质。光引发的交联过程还会产生具有特定机械性能和广泛的材料相容性的化学交联水凝胶。尽管已证明透皮注射水凝胶，原位交联的方法由于被皮肤和组织强烈吸收的紫外线（UV）或蓝光的激活而在临床实践中用途有限。即使使用长波长蓝光触发器，光致聚合的有效固化深度也只能达到2mm。对于具有高黑色素含量的皮肤类型，真皮层的内部填充效果明显更高。为了使光聚合有效地用于透皮注射，必须通过组织的治疗性光学窗口（-nm）内的光子来引发交联，其中吸收内源性生物物种，例如血红蛋白而黑色素则微不足道。
尽管需要长波长，光诱导的交联，但是关于在生物环境中原位固化水凝胶的红光活化光聚合的报道很少。Rodgers等人利用维生素B12衍生物的光引发剂，该光引发剂可在红光（nm）下进行C–Co分解，生成自由基，用于聚合物交联中的丙烯酸酯基团的聚合。但这些作者报告了对人肝癌细胞进行3D封装的良好细胞活力，但该方法可能无法针对自由基敏感的细胞系（如成骨细胞（hFOB）和成肌细胞（C2C12））的3D培养。
光介导的聚合物交联通常用于制备生物医学应用的水凝胶。然而，大多数光聚合过程需要通过紫外线或短波长可见光活化，而紫外线或短波长可见光被皮肤和组织高度吸收，限制了它们在透皮引发中的用途。最近，昆士兰科技大学VinhX.Truong和ChristopherBarner-Kowollik两位研究人员通过醛的原位光生化引入了红光引发的肟连接，该醛可与羟胺快速反应。显示了通过红光引发的真皮组织模型后面的有效聚合物交联。光聚合条件的优化允许3D封装人包皮成纤维细胞，并具有良好的封装后细胞活力。相关论文Red-LightDrivenPhotocatalyticOximeLigationforBioorthogonalHydrogelDesign发表在《ACS大分子快讯》上。
作者最初合成了水溶性呋喃化合物1，并在红光和MB存在下研究了其氧化（图1a）。用红光在含有MB（c=1mM）的水溶液（c=10mM）中处理化合物1，导致辐照后1小时内与呋喃部分相关的共振消失。
图1.红光诱导的肟连接研究。
当化合物1被包含羟胺端基3的聚乙二醇（PEG）进行光氧化时，获得了肟加合物4，如纯化聚合物的1HNMR光谱所示（图1b）。降低MB催化剂浓度会大大增加反应时间并降低效率（图2）。在0.1mM（1mol％）的MB浓度下，即使在延长的照射时间（5h）下，光氧化也不会超过50％的转化率。此外，当通过使氧气通过溶液而使溶液被氧气饱和时，光氧化更有效，这可能是由于所产生的单线态氧的浓度增加所致。
图2.不同摩尔浓度的MB和氧含量的呋喃部分随时间的函数的光催化氧化。
在确认呋喃的光催化氧化用于肟连接的有效性质后，作者尝试将该体系应用于聚合物交联中以形成水凝胶（图3a）。具体来说，制备了带有呋喃和羟胺端基的4臂PEG（分子量1万），并通过流变学检查了水凝胶化。选择4臂PEG的原因是它的市售性和易于纯化（该聚合物在环境温度下为固体）。此外，据报道4-臂PEG的交联形成具有良好机械强度的理想水凝胶网络结构。凝胶动力学表明，在红光（nm，I=20mWcm-2）下，在c=10mM（聚合物前体的总浓度）和MB浓度为1mM的情况下，聚合物溶液快速交联（图3b），经过约15分钟的光处理后发生了完全胶凝。在对照反应中，未进行红光处理的聚合物溶液未观察到凝胶化。此外，当含有4-臂PEG-醛的溶液观察到自发凝胶化，该溶液是通过用红光辐照将4-臂PEG-呋喃与MB通过氧化红光而氧化并与4-臂PEG-羟胺溶液混合而制备的。
图3.红灯下的聚合物交联。
在细胞相关的应用中，该过程对细胞无毒且必须足够快。因此，作者通过评估24小时封装后的细胞生存力，检查了光催化交联方法在3D封装人包皮成纤维细胞中的潜力。最初，研究了少量的MB（在c=0.1mM时），并且需要所需的照射时间（50分钟）来固化细胞/聚合物混合物。低MB浓度的长胶凝时间（c=0.1mM）导致细胞活力低（约42％），观察到一些细胞在底部积聚并显示2D形态，例如扩散和伸长（图4a）。具有0.3mM的MB浓度和10分钟的照射时间的系统，观察到了高效的3D封装和良好的细胞活力（约81％）（图4b）。
图4.3D细胞封装研究。
在较高的MB负载量下（c=0.5mM和1mM），固化时间缩短了，但是观察到了明显的细胞死亡（图4c-e），这可能是由于光氧化过程中反应性单重态氧的产生。而，以前有报道说，强度高达mW的红光照射（nm）不会引起高于生理温度（37°C）的温度升高。研究中的附加照条件预计不会引起明显的组织发热。因此，该系统可能适合载有细胞的水凝胶的透皮递送，而不引起人体造成不良影响。
作者提出了一种通过呋喃部分的光氧化，然后与羟胺反应，实现红光引发的肟连接的策略。该反应对于聚合物端基修饰和PEG的交联对于水凝胶的产生是有效的。红光的使用允许在厚度为0.5cm的真皮组织模型后面引发聚合物交联。封装后24小时，具有良好细胞活力的成纤维细胞的凝胶化3D封装优化。该策略可潜在地用于生物医学应用中载有细胞/治疗药物的水凝胶的非侵入性植入。
参考文献：doi.org/10./acsmacrolett.0c
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