动态共价键（DCB）是一类共价键，可以在平衡条件下发生可逆的形成和断裂。DCBs形成的水凝胶（称为动态水凝胶）因其固有的动态，自愈和剪切闪亮特性而在生物医学领域引起了广泛关注，可用于通过微创手术在注射疗法中的应用。此外，由于DCB的形成和破坏平衡极易受到外界刺激，因此DCB形成的动态水凝胶通常具有刺激响应性。热可逆动态共价键（TRDCB）引起了人们对于构建具有自愈和本体适应性的聚合物的极大兴趣。然而，由于需要高温来引发逆反应（>100°C）或易受水解（如: 脲键）的影响，因此开发的TRDCB均不能用于水性介质中以制备热可逆动态水凝胶。

最近，中国科学院长春应用化学所肖春生研究员团队报告了一种热可逆的动态共价C=C双键，该键是通过苯甲醛和氰基乙酸酯末端官能化的聚合物在水溶液中的无催化Knoevenagel缩合（CKC）形成的。形成的TRDCB在温和的温度（4–70°C）下在水性介质中显示出典型的热可逆性。用这种TRDCB构造水凝胶导致形成具有令人感兴趣的自愈，可注射，热敏性和热塑性的热可逆动态水凝胶。总体而言，这项工作不仅拓宽了TRDCB在水性介质中的应用，而且还提供了可热逆的动态水凝胶，可在各种生物医学领域中潜在使用。该研究以题为“Constructing Thermally Reversible Dynamic Hydrogels via Catalysis-Free Knoevenagel Condensation”的论文发表在5月《ACS Macro Letter》上。

1.动态共价键的研究

为了证明由CKC反应形成的C═C双键的动力学性质和可逆性，作者用苯甲醛和氰基乙酸酯封端的甲氧基聚（乙二醇）（mPEG-BA和mPEG-CA（图1A））分别被制备并用作研究反应性模型化合物。以相同的苯甲醛与氰基乙酸酯基摩尔比制备mPEG-BA和mPEG-CA的所有混合物，在反应混合物中观察到反应物和产物共存（图1），这表明由CKC反应形成的C═C双键应该是水性介质中的动态共价键。进一步了解mPEG-BA和mPEG-CA之间的反应，如图1B所示，结果证明了mPEG-BA的快速消耗和mPEG-CCA-mPEG产物的形成。在其他初始反应物浓度下也观察到类似的反应过程，结果表明反应速度可以通过增加初始反应物浓度来促进（图1C）。这些结果进一步表明该CKC反应是可逆反应，并且反应物浓度的增加可以促进正向反应。作者还评估了温度对mPEG-BA和mPEG-CA之间CKC反应的影响（图1D）， CKC反应形成的动态C═C双键是热敏的，它在较高的温度下达到平衡所需的时间较短，而平衡常数随温度的升高而降低。而且，分解过程是温度依赖性的。在更高的温度下发生了更快的分解（图1G）。通过CKC反应形成的C═C双键是水溶液中的动态且热可逆的键。

图1. 使用mPEG-BA和mPEG-CA作为模型反应性化合物，通过紫外可见光谱仪研究了由CKC反应形成的C═C双键的动态和热可逆行为。（A）mPEG-BA和mPEG-CA之间的反应。（B）5％混合聚合物溶液在37°C下随时间变化的紫外可见吸收光谱。（C）图1B中峰A2相对于峰A1的吸收率随时间的变化。（D）在不同温度下5％混合聚合物溶液的平衡常数（Keq）。（E）在40°C下反应混合物（0.02％）的时间依赖性UV-vis吸收光谱。（F）在40°C下不同初始浓度下CKC的逆反应，由峰A2对峰A1的吸收比随时间的变化表示。（G）CKC在不同温度下的逆反应，由峰A2对峰A1的吸收比随时间的变化表示。

2.特种性能的研究

为了验证自愈，热敏和热塑性的假设，作者使用苯甲醛和氰基乙酸酯基团末端官能化的四臂聚乙二醇（4-arm PEG）聚合物进行了概念验证研究， 4-arm PEG-BA和4-armPEG-CA分别作为模型的构建基块（图2A）。当聚合物浓度从5％增加到20％时，水凝胶的凝胶时间减少，储能模量（G’）增加（图2B）。接着，作者通过流变学测试了所获得的水凝胶的自愈性能（图2C）。水凝胶经受高应变（γ= 3000％）后破裂，而当应变又变回低值（γ= 1％）时，被测水凝胶的机械性能迅速恢复到其原始状态。这种破坏-恢复过程是完全可逆的，表明水凝胶具有良好的自愈能力。切成两片的圆盘状水凝胶放在一起后，裂纹在界面处消失，修复后的水凝胶可以承受拉伸而不会破坏（图2D）。

图2.通过CKC反应形成的水凝胶的自修复和可注射特性。（A）基于CKC反应的热可逆动态水凝胶的形成机理。（B）在37°C下具有不同浓度的水凝胶的G’和凝胶化时间。（C）在37°C下连续进行8％水凝胶的阶跃应变测量，交替应变为1％和3000％。（D）8％水凝胶的自愈特性图像。（E）8％水凝胶的粘度测量值是在37°C时剪切速率的函数。

3.热可逆行为的研究

作者接着研究了由CKC反应形成的水凝胶的热可逆性。随着温度的升高，8％水凝胶G’逐渐降低，而G”略有升高，说明CKC反应形成的水凝胶是热敏性的（图3A）。水凝胶的G’值首先增加以达到相应的最大平台值，表明在37°C下水凝胶的形成。此后，将温度切换到更高的温度，这导致所有测试水凝胶的G’值急剧下降（图3B），并经过一段时间后达到了一个新的平台值，表明在CKC反应在此温度下达到新的平衡。这些结果进一步证实了通过CKC反应形成的C═C双键是热敏动态键。如图3D所示，正向CKC反应在低温时增加，水凝胶从37°C冷却至4°C后G’的轻微增加，对应于在4℃下的高Keq。然后，进一步研究了G’的热可逆变化。通过分别在70°C和4°C下加热和冷却时观察到的环状溶胶-凝胶转变，证实了水凝胶具有良好的热可逆性（图3E-F）。

图3.通过CKC反应形成的水凝胶的热敏和热塑性性质。（A）在1Hz的频率下，8％水凝胶的G’和G”随温度的变化。（B）流变数据。（C）在不同的温度下加热后，不同浓度的水凝胶的（G1-G2）/ G1计算值。（D）8％水凝胶的时间扫描流变测试。（E）在70至4°C的测试温度循环开关下对8％水凝胶进行时间扫描流变学测试。（F）8％水凝胶的热可逆溶胶-凝胶转变的图像。（G）将溶胶溶液注入定制的模具中并随后在4℃下脱模而获得环状水凝胶。（H）水凝胶可塑性的图像：（a）心形，（b）立方体和（c）圆柱形。

总之，作者证明了由苯甲醛和氰基乙酸酯末端官能化的聚合物在水溶液中的CKC反应形成的C═C双键是热可逆的动态共价键。由这种CKC反应形成的水凝胶显示出优异的自愈性、可注射性、热敏和热塑性性质，可在生物医学领域中找到广泛的应用，尤其是在3D细胞培养，可注射细胞疗法，3D生物打印等方面。

参考文献：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsmacrolett.0c00175