Preparation of Hyperbranched Poly（ethylene glycol）s via Reversible Addition-fragmentation Chain Transfer Free Radical Polymerization of Multivinyl Monomers and Their Application in Stem Cell Culture

doi:10.7503/cjcu20240546

Abstract

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

CLC Number:

O631

TrendMD:

LI Zhili, ZHOU Dezhong. Preparation of Hyperbranched Poly（ethylene glycol）s via Reversible Addition-fragmentation Chain Transfer Free Radical Polymerization of Multivinyl Monomers and Their Application in Stem Cell Culture[J]. Chem. J. Chinese Universities, 2025, 46(7): 20240546.

Figures/Tables 10

References 25

[26]	Gao Y. S.， Zhou D. Z.， Lyu J.， A S.， Xu Q.， Newland B.， Matyjaszewski K.， Tai H. Y.， Wang W. X.， Nat. Rev. Chem.， 2020， 4（4）， 194—212
[27]	Zhao T. Y.， Zheng Y.， Poly J.， Wang W. X.， Nat. Comm.， 2013， 4（1）， 1873
[28]	Lyu J.， Li Y. H.， Li Z. S.， Polanowski P.， Jeszka J. K.， Matyjaszewski K.， Wang W. X.， Angew. Chem. Int. Ed.， 2023， 62（5）， e202212235
[29]	Vlierberghe S. V.， Schacht E.， Dubruel P.， Eur. Polym.， 2011， 47（5）， 1039—1047
[30]	Göckler T.， Haase S.， Kempter X.， Pfister R.， Maciel B. R.， Grimm A.， Molitor T.， Willenbacher， N.， Schepers U.， Adv. Healthc. Mater.， 2021， 10（14）， 2100206
[31]	Butterworth P. H. W.， Baum H.， Porter J. W.， Arch. Biochem. Biophys.， 1967， 118（3）， 716—723
[32]	Dong Y. X.， Qin Y.， Dubaa M.， Killion J.， Gao Y. S.， Zhao T. Y.， Zhou D. Z.， Duscher D.， Geever L.， Gurtner G. C.， Wang W. X.， Polym. Chem.， 2015， 6（34）， 6182—6192
[33]	Zhao T. Y.， Zhang H.， Newland B.， Aied A.， Zhou D. Z.， Wang W. X.， Angew. Chem. Int. Ed.， 2014， 53（24）， 6095—6100
[34]	Gao Y. S.， Zhou D. Z.， Zhao T. Y.， Wei X.， McMahon S.， O’Keeffe Ahern J.， Wang W.， Greiser U.， Rodriguez B. J.， Wang W. X.， Macromolecules， 2015， 48（19）， 6882—6889
[35]	Sawicki L. A.， Kloxin A. M.， Biomater. Sci.， 2014， 2（11）， 1612—1626
[36]	Sabapathy V.， Kumar S.， J. Cell. Mol. Med.， 2016， 20（8）， 1571—1588
[37]	Wu Z. W.， Su Y. Z.， Li J. X.， Liu X. L.， Liu Y.， Zhao L.， Li L. X.， Zhang L. Y.， Stem. Cell Res. Ther.， 2024， 15， 367
[1]	Tavassoli H.， Alhosseini S. N.， Tay A.， Chan P. P. Y.， Weng O. S. K.， Warkiani M. E.， Biomaterials， 2018， 181， 333—346
[2]	Serra M.， Brito C.， Correia C.， Alves P. M.， Trends Biotechnol.， 2012， 30（6）， 350—359
[3]	Rafiq Q. A.， Coopman K.， Hewitt C. J.， Curr. Opin. Chem. Eng.， 2013， 2（1）， 8—16
[4]	Gao Y. S.， Peng K.， Mitragotri S.， Adv. Mater.， 2021， 33（25）， 2006362
[5]	Lou J. Z.， Mooney D. J.， Nat. Rev. Chem.， 2022， 6（10）， 726—744
[6]	Liang Y. P.， He J. H.， Guo B. L.， ACS Nano， 2021， 15（8）， 12687—12722
[7]	Hughes C. S.， Postovit L. M.， Lajoie G. A.， Proteomics， 2010， 10（9）， 1886—1890
[8]	Mathew M.， Rad M. A.， Mata J. P.， Mahmodi H.， Kabakova I. V.， Raston C. L.， Tang Y.， Tipper J. L.， Tavakoli J.， Mater. Today Chem.， 2022， 23， 100656
[9]	Sánchez⁃Cid P.， Jiménez⁃Rosado M.， Romero A.， Pérez⁃Puyana V.， Polymers， 2022， 14（15）， 3023
[10]	Wen J.， Xu Z. M.， Qi D. S.， Wang J. Y.， Yu S. J.， He C. L.， Han B.， Chem. J. Chinese Universities， 2019， 40（9）， 2020—2027
	文静，徐志民，齐德胜，王佳玉，于双江，贺超良，韩冰. 高等学校化学学报， 2019， 40（9）， 2020—2027
[11]	Jaspers M.， Dennison M.， Mabesoone M. F. J.， MacKintosh F. C.， Rowan A. E.， Kouwer P. H. J.， Nat. Comm.， 2014， 5（1）， 5808
[12]	Wang H. W.， Liang X. C.， Xu K.， Tan Y.， Lu C. G.， Wang P. X.， Chem. J. Chinese Universities， 2016， 37（4）， 752—760
	王海卫，梁学称，徐昆，谭颖，路璀阁，王丕新. 高等学校化学学报， 2016， 37（4）， 752—760
[13]	McMahon S.， Kennedy R.， Duffy P.， Vasquez J. M.， Wall J. G.， Tai H.， Wang W. X.， ACS Appl. Mater. Interfaces， 2016， 8（40）， 26648—26656
[14]	Kennedy R.， Hassan W. U.， Tochwin A.， Zhao T. Y.， Dong Y. X.， Wang Q.， Tai H. Y.， Wang W. X.， Polym. Chem.， 2014， 5（6）， 1838
[15]	Zhang T.， Jia X. L.， Hou Z. Y.， Xie G.， Zhang L. B.， Zhu J. T.， Chem. Res. Chinese Universities， 2023， 39（5）， 803—808
[16]	Qi Y.， Fan H. L.， Chem. Res. Chinese Universities， 2024， 40（5）， 776—785
[17]	Hu X. Y.， Mao N.， Yan X. W.， Huang L.， Liu X.， Yang H. G.， Sun Q. Q.， Liu X. Y.， Jia H. Y.， Chem. Res. Chinese Universities， 2024， 40（5）， 824—841
[18]	Hassan W.， Dong Y. X.， Wang W. X.， Stem. Cell Res. Ther.， 2013， 4（32）， 63—67
[19]	Kar M.， Vernon Shih Y. R.， Velez D. O.， Cabrales P.， Varghese S.， Biomaterials， 2016， 77， 186—197
[20]	Xu Q.， A S.， Gao Y. S.， Guo L. R.， Creagh⁃Flynn J.， Zhou D. Z.， Greiser U.， Dong Y. X.， Wang F. G.， Tai H. Y.， Liu W. G.， Wang W.， Wang W. X.， Acta Biomater.， 2018， 75， 63—74
[21]	Zhao T. Y.， Sellers D. L.， Cheng Y. L.， Horner P. J.， Pun S. H.， Biomacromolecules， 2017， 18（9）， 2723—2731
[22]	Chimala P.， Perera M. M.， Wade A.， McKenzie T.， Allor J.， Ayres N.， Polym. Chem.， 2021， 12（30）， 4384—4393
[23]	Jiang Y.， Zhan D. Z.， Zhang M.， Zhu Y.， Zhong H. Q.， Wu Y. F.， Tan Q. W.， Dong X. H.， Zhang D. H.， Hadjichristidis N.， Angew. Chem. Int. Ed.， 2023， 62（42）， e202310832
[24]	Tochwin A.， El⁃Betany A.， Tai H. Y.， Chan K. Y.， Blackburn C.， Wang W. X.， Polymers， 2017， 9（9）， 443
[25]	Li Z. L.， Yong H. Y.， Wang K. X.， Zhou Y. N.， Lyu J.， Liang L. R.， Zhou D. Z.， Chem. Comm.， 2023， 59（28）， 4142—4157

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

Time/h	M_n	M_w	Ð	PEGDA conversion（%）	Time/h	M_n	M_w	Ð	PEGDA conversion（%）
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5.5	7100	10100	1.42	33.6

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

Time/h	M_n	M_w	Ð	PEGDA conversion（%）	Time/h	M_n	M_w	Ð	PEGDA conversion（%）
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23	7800	16300	2.10	60.7	After purification	14900	31500	2.12

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