水凝胶由于其生物相容性、吸收特性等特点与生物组织的特性非常匹配，在人体可植入装置中有着广泛的应用，包括用于软骨修复的组织工程物品和药物输送的微型装置等。这些基于水凝胶的植入装置的触发方式往往依靠热、磁、化学刺激等来产生物质响应，触发所需功能，但它们对生物组织产生的负面影响、对接触性的要求、对医学成像技术的干扰等局限性也限制着这些装置的许多体内应用。因此，研究对体内水凝胶装置非接触性的、动态触发的且方便的刺激方式就尤为迫切，光学刺激则是可以满足上述要求的可行方式之一。

近期发表在Science Advances杂志上题为“Light-degradable hydrogels as dynamic triggers for gastrointestinal applications”的文章，来自麻省理工学院的Ritu Raman团队报道了一种光降解水凝胶并用于胃肠道植入装置的动态触发方式，它的创新点在于可通过光驱动这些水凝胶植入装置发生所需响应，相比传统的热、磁、药物等驱动方式减少了限制并增加了安全性。

研究人员首先使用oNB（丙烯酸化的邻硝基苄基）聚合物作为水凝胶网络的光响应连接基，开发了光降解水凝胶的合成方案。这一连接基可由光触发降解，并可与没有光响应的丙烯酸酯化连接基混合，从而可以使水凝胶网络在光触发下可控溶解。

图1光降解水凝胶的合成方案

（A）可光降解3D水凝胶网络的示意图。 （B）定制合成的丙烯酸化oNB接头。 （C）接头与依赖于丙烯酸酯基自由基聚合的任何聚合物网络整合的示意图。

研究者使用上述合成方案合成了单网络和双网络水凝胶，细胞毒性实验显示这些网络有生物相容性。而由共价键连接的聚合物网络组成的双网络水凝胶的拉伸性和韧性可明显改善。对于水凝胶刚度和拉伸性的调整则可以通过改变形成网络主干的单体链长度和浓度、预聚物溶液中连接基浓度来进行。经过参数的优化，研究人员设计的水凝胶压缩强度超过了人体最大胃压强度，可以满足应用要求。

图2 光降解水凝胶的机械和生物相容性表征

（A）可以由一系列具有丙烯酸酯官能团的生物相容性聚合物骨架（例如PAMPS和PAAM）合成可光降解的单网络和双网络水凝胶。（B）具有MBAA和oNB光可降解接头的PAMPS，PAAM和PAMPS / PAAM水凝胶的机械性能显示，与单网络水凝胶相比，双网络水凝胶的机械性能显着提高（n = 3，P <0.05 ）。报告的结果是1 M PAMPS和4 mol％交联剂（MBAA或oNB）和2 M PAAM和0.1mol％交联剂（MBAA或oNB）。（C）与阴性对照（−对照，未处理的细胞）和阳性对照（+对照，用甲醇处理的细胞）相比，使用光可降解的oNB接头合成的PAAM网络的两种细胞系（HT29和Caco-2）的体外毒性研究）。没有观察到定制合成的光可降解接头的显着负面影响（n = 4，P <0.05）。

通过光源强度，波长以及水凝胶中的oNB连接基组成和分布等参数可改变水凝胶光降解的程度和时间。研究者设计了可控制光源强度和距离的体外平台来进行测试，光源发光波长是365或405nm。测试说明水凝胶的光降解程度主要依赖于光强度，可触发性则主要靠光波长来调节，因此在实际应用中，可根据体内对紫外线A（UVA）波长范围内的光的敏感性和目标降解的时间限制，来选择合适的波长以满足要求。

图3光降解水凝胶的可调降解

（A）光强下降是与光源的距离和LED数量（365 nm）的函数。插图：测光表传感器上方的阵列放置示意图。（B）oNB-PAAM（具有0.1mol％oNB交联剂的4 M PAAM）的降解与曝光时间和与三LED阵列365 nm光源的距离（n =3）的关系。 （C）改变oNB接头的百分比对4M PAAM凝胶的紫外线（UV）光响应性的影响。在365 nm处降解45分钟后，增加oNB接头的百分比会导致机械性能出现更大的下降（n = 3，P <0.05）。 （D）将光波长从365 nm更改为405 nm的效果。较短的波长导致45分钟降解后具有0.1 mol％oNB交联剂的4 M PAAM凝胶的机械性能下降更为显着（n = 3，P <0.05）。 （E）与阴性对照（-对照，未处理的细胞）和阳性对照（+对照，用甲醇处理的细胞）相比，降解后的oNB-PAAM凝胶的两种细胞系（HT29和Caco-2）的体外毒性研究，显示降解副产物对细胞活力无明显影响（n = 4，P <0.05）。

基于上述特性，研究人员最终设计了两种体内应用的光触发装置：胃内减肥球囊和食管支架。

在胃内减肥球囊的应用中，主要困难是胃内高酸性、潮湿、细菌和酶丰富的复杂环境。研究人员设计了由4 M PAAM与0.1 mol％oNB交联形成的坚固又有弹性的水凝胶组合物来满足机械性能要求，在模拟胃液（SGF）的测试和参数优化证明了该装置可实现所需功能并最终降解排出体外。在后续对约克郡猪体内的测试则表明通过可摄入的LED光源药丸也可以触发光降解水凝胶，从而减少了内窥镜等设备的使用。

图4：光降解水凝胶作为GI设备中的动态触发物

（A）气球插入和充气的示意图（左），通过内窥镜或不受束缚的LED光源引起的降解（中），以及随后的放气（右）。 （B）oNB-PAAM胶钉的浇铸（顶部），并用浇铸的胶钉密封的组装好的气球（底部）。图片提供：麻省理工学院Ritu Raman。 （C）将球囊通过食道插入并在插入后1分钟（顶部）内窥镜观察并在胃中肿胀，插入后立即且在体内6小时后在射线照相（底部）观察。（D）可安装到内窥镜插入端的LED盖设计。用于为LED供电的电线穿过内窥镜，并且阵列上的孔可通过内窥镜的集成摄像头保持可见性。阵列中心的磁铁可将其对接至连接到球囊密封端的金属件。（E）可吸收药丸状LED的设计。计算机辅助设计（CAD）渲染图显示了可摄取LED的组装过程：将电池，LED和磁铁插入3D打印的空心圆柱体中，并用环氧树脂将其密封在防水设备中。将金属导电接线片推入设备侧面的缝隙时，LED点亮。通过射线照相术（右下）观察到LED在体内与气球的磁性对接。 （F）在t = 0小时（上）和6小时（下）的射线照相法观察到，可光触发的oNB-PAAM胶钉降解后，填料泄漏出，气球尺寸明显减小。 （G）与对照组相比，使用内窥镜LED阵列和未束缚的LED降解的球囊在t= 6小时时的大小均明显减少（n = 3，P <0.05），表明oNB-PAAM成功按需激活凝胶触发器。 （H）由具有PCL珠的oNB-PAMPS凝胶环组成的食道支架装置的示意图。 （I）组装好的设备的照片（上图）和放射线图像（下图）。 PCL珠上涂有硫酸钡涂料，以提高X射线的可见度。图片提供：麻省理工学院Ritu Raman。（J）将组装好的装置放置在离体食道内，并且该装置的膨胀确保与承受压迫的组织压配合。 （K）在光触发降解后，体外和离体食管支架对外部压缩的抵抗力降低（n = 3，P <0.05）。 （L）上图：使用（D）中所述的内窥镜LED阵列降解后，凝胶的颜色从透明变为橙色，这是降解的指示剂，如图2所示。S6。底部：当组织被压缩到其原始宽度的一半时，降解的凝胶会从食道漏出，这与体内的食道蠕动有关。

光降解水凝胶食管支架则主要可用于食管内结构支撑或药物递送。研究者用聚己内酯（PCL）微球浇铸oNB水凝胶柱环和4 MPAMPS与4 mol% oNB连接基交联的硬性水凝胶组合制作得到食管支架，并进行了体外测试。这种食管支架可以在食管中降解后进入胃部而不会伤害体内组织，可用于治疗食道良性和恶性狭窄。

在未来其他的可能应用方面，由于oNB水凝胶可以很容易地浇铸成各种形状，从而实现设备设计的简单适应和原型设计。而材料特性，设备形状，降解时间线和传递光刺激的方法都可以单独调整，以适应不同的临床需求，有着较为广泛的应用方向。

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