水凝胶是一种结构中包含大量的水或者以水为分散介质且具有三维结构的高分子网络，其最显著的特点是这种高分子材料不会溶解但是遇水会溶胀。自上世纪60年代以来，水凝胶因其具有含水量高、柔软、粘弹性及良好的生物相容性等优点，在诊断学、治疗学及组织工程等领域得到了广泛的应用。如今，科学家已经制备出多种多样的环境敏感型水凝胶，这些新型水凝胶能感知外界环境的微小变化或刺激（温度、pH值、压力、电场等），并产生相应的物理结构和化学性质的变化，而光敏型水凝胶便是其中最具有应用前景的一员。
图1. 紫外光照或双光子引发的邻硝基苄脂键断裂
（图片来源： Angew. Chem. Int. Ed.）
近日，维也纳技术大学材料科学与技术研究所的Aleksandr Ovsianikov教授报道了一种基于透明质酸（hyaluronic acid， HA）的水凝胶，这种水凝胶具有良好的生物相容性，而且引入的硝基苄脂键赋予了这种水凝胶光敏的特性（图1）。此外，作者发现，在水凝胶中引入具有双光子效应的分子，可以大幅度加快水凝胶的降解，并以此为基础发展出了一套模块化的研究方法。该成果以“A Modular Approach to Sensitized Two-Photon Patterning of Photodegradable Hydrogels”为题发表于《德国应用化学》（DOI: 10.1002/anie.201808908）。
图2. a)水凝胶的合成路线；b）P2CK分子的结构式；c）水凝胶对光的响应性
（图片来源：Angew. Chem. Int. Ed.）
光响应水凝胶的合成大致分为三步（图2a），首先是在HA分子上进行巯基的修饰，以通过生物相容的化学反应将其他小分子引入到水凝胶骨架上；其次是光敏基团邻硝基苄脂键的引入，作者从硝基苄醇的衍生物2开始，通过三步反应得到了含有聚乙二醇（PEG）链的可光降解链接单元PEG-(oNB-A)2；最后作者通过巯基-烯点击反应（Thiol-ene Click Reaction），将二者结合得到了具有光敏性能的水凝胶PEG-HA-SH。PEG-HA-SH的光学测试表明该水凝胶确实具有光响应特性（图2c）。
图3. a）水凝胶降解速率检测方法示意图；b）PEG-HA-SH在不同光强下的荧光图像；c）4armPEG-SH水凝胶在不同光强下的荧光图像；d）检测方法在细胞环境中的应用
（图片来源：Angew. Chem. Int. Ed.）
作为本文的创新点之一，作者在PEG-HA-SH的基础上引入了具有双光子吸收效应的化合物P2CK（图2b），而这一举措使得水凝胶的降解速率大幅提升，但是水凝胶的降解过程并不能通过普通的方法进行检测，于是作者又提出了一种新的检测方法（图3a）：通过激光刻蚀使水凝胶中的部分结构发生降解，再用荧光染料对其进行标记使其能够成像，根据荧光信号的强弱来判断水凝胶的分解情况。结果表明：没有加入P2CK的水凝胶需要70 mW的激光功率才能呈现清晰的图案（图3b），而在加入了浓度为0.5 mM的P2CK后只需要20 mW的功率便能呈现明显的图案（图3b），这表明P2CK的加入确实加速了光响应水凝胶的降解过程。此外，作者对另外一种光响应水凝胶4armPEG-SH进行相同的测试，也得到了同样的结果，证明了这种方法具有普遍的适用性（图3c）。最后，作者还将这种方法应用到了细胞环境中，利用绿色荧光蛋白（Green fluorescent protein）代替荧光素，成功地观测到了与上述类似的结果（图3d）。
本文亮点：作者不仅发现在水凝胶中加入具有双光子吸收效应的分子能大幅度提升水凝胶的降解速度，还提出了一种具有生物相容性的模块化系统，该系统有望应用到细胞基质相互作用的基础研究中。
全文作者：Markus Lunzer, Liyang Shi, Orestis G. Andriotis, Peter Gruber, Marica Markovic, Philipp J. Thurner, Dmitri Ossipov, Robert Liska, and Aleksandr Ovsianikov.
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