可逆加成断裂链转移自由基聚合多乙烯基单体制备超支化聚乙二醇及其干细胞培养应用

doi:10.7503/cjcu20240546

摘要/Abstract

摘要：

以聚(乙二醇)二丙烯酸酯(PEGDA)为多乙烯基单体(MVMs)， 4-氰基-4-(硫代苯甲酰硫基)戊酸(CPADB)为链转移剂， 2，2′-偶氮二异丁腈(AIBN)为引发剂，采用一锅法可逆加成断裂链转移(RAFT)聚合法，通过调控反应参数特异性促进聚合过程中大分子间结合，成功合成了两种支化度不同且带有大量悬挂双键的超支化聚乙二醇(HBPs). HBPs可与巯基化明胶(gel-SH)通过硫醇-烯点击化学反应交联形成HBP/gel-SH水凝胶，用于人诱导间充质干细胞(iMSCs)培养. 采用凝胶渗透色谱仪(GPC)和核磁共振波谱仪对HBPs的化学组成和结构进行表征. 研究结果表明，通过调控PEGDA单体反应浓度及n(PEGDA)∶n(CPADB)∶n(AIBN)能够有效调控HBPs的支化度. 流变仪表征结果表明， HBPs和gel-SH能够快速交联，在2 min内形成水凝胶. 细胞培养实验证明， HBP/gel-SH水凝胶无明显细胞毒性，且高支化度聚合物形成的水凝胶具有更好的生物相容性. 该水凝胶在干细胞培养和扩增领域有广阔的应用前景.

关键词: 超支化聚合物, 水凝胶, 硫醇-烯点击化学, 细胞培养

Abstract:

Using poly（ethylene glycol） diacrylate（PEGDA） as the multivinyl monomers（MVMs）， 4-cyano-4-（phenylcarbonothioylthio）pentanoic acid（CPADB） as the chain transfer agent， and 2，2'-azobisisobutyronitrile（AIBN） as the initiator， two hyperbranched poly（ethylene glycol）s（HBPs） with different branching degrees and multiple pendent vinyl groups were successfully prepared in a one-pot reversible addition-fragmentation chain transfer（RAFT） polymerization by regulating reaction parameters to specifically promote intermolecular combination. HBPs can react with thiolated gelatin（gel-SH） via thiol-ene click chemistry to form HBP/gel-SH hydrogels and be used for the culture of human induced mesenchymal stem cells（iMSCs）. The chemical composition and structure of the HBPs were characterized using gel permeation chromatography（GPC） and nuclear magnetic resonance spectrometry. Research results indicated that the branching degrees of HBPs can be effectively regulated by adjusting PEGDA monomer reaction concentration and n（PEGDA）∶n（CPADB）∶n（AIBN）. Rheological analysis showed that HBPs and gel-SH could cross-link to form a hydrogel within 2 min. Cell culture experiments demonstrated that the HBP/gel-SH hydrogels exhibited no significant cytotoxicity， and the hydrogel formed by the higher branching polymer displayed better biocompatibility. These hydrogels hold great potential for applications in stem cell culture and expansion.

Key words: Hyperbranched polymer, Hydrogel, Thiol-ene click chemistry, Cell culture

中图分类号:

O631

TrendMD:

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图/表 10

Fig.1 GPC traces of HBP⁃1(A) and HBP⁃2(C) at different time points during polymerization and the final products of HBP⁃1(B) and HBP⁃2(D) after purification

Table 1 Reaction results for the synthesis of HBP-1 at different time points

Time/h	M_n	M_w	Ð	PEGDA conversion（%）	Time/h	M_n	M_w	Ð	PEGDA conversion（%）
0	500	600	1.19		6.0	9400	14900	1.58	38.0
4.0	3400	4300	1.08	12.4	6.5	11500	20600	1.79	41.2
5.0	5600	7100	1.28	28.1	After purification	15100	26300	1.75
5.5	7100	10100	1.42	33.6

Fig.2 Chemical structure of HBP(A) and 1H NMR spectra of HBP⁃1(B) and HBP⁃2(C)Peaks c， d and e are all related to the structure of the polymer. The signal of pendant vinyl content is between δ 6.5 to 5.7.

Table 2 Reaction results for the synthesis of HBP-2 at different time points

Time/h	M_n	M_w	Ð	PEGDA conversion（%）	Time/h	M_n	M_w	Ð	PEGDA conversion（%）
0	600	700	1.15		25	8700	19700	2.28	63.4
21	7300	13700	1.87	57.2	26	8800	21000	2.40	64.4
23	7800	16300	2.10	60.7	After purification	14900	31500	2.12

Fig.3 Gelation of HBP⁃1 and gel⁃SH mixture via thiol⁃ene click chemistry and optical photo of HBP⁃1/gel⁃SH hydrogel

Table 3 Gelation time of HBP and gel-SH mixture*

HBP⁃1/gel⁃SH		HBP⁃2/gel⁃SH
Concentration of HBP⁃1/（mg∙mL^-1）	Gelation time/s	Concentration of HBP⁃2/（mg∙mL^-1）	Gelation time/s
40	30	40	110
80	20	80	70
100	15	100	50

Fig.4 Time sweep oscillatory rheometer measurements of G′ and G′′ of 100 mg/mL gel⁃SH solution mixed with 40 mg/mL HBP⁃1(A), 100 mg/mL HBP⁃1(B), 40 mg/mL HBP⁃2(C), 100 mg/mL HBP⁃2(D) solution at 25 ℃

Table 4 G′ and G′′ of HBP/gel⁃SH hydrogels

HBP⁃1/gel⁃SH			HBP⁃2/gel⁃SH
Concentration of HBP⁃1/（mg∙mL^-1）	G''/Pa	G'/Pa	Concentration of HBP⁃2/（mg∙mL^-1）	G''/Pa	G'/Pa
40	104	7985	40	72	4206
100	124	18735	100	73	9876

Fig.5 Bright⁃field images of iMSCs cultured on the surfaces of HBP⁃1/gel⁃SH hydrogel with different concentrations of HBP⁃1 for 2, 4 and 6 d

Fig.6 Metabolic viability of the iMSCs cultured on the surfaces of hydrogels formed by HBP⁃1(A) and HBP⁃2(B) at concentrations of 40, 80 or 100 mg/mL with gel⁃SH at a concentration of 100 mg/mL for 2, 4 and 6 dData are shown as average±SD； n = 3.

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