多功能水凝胶在药物输送、机械生物学和分析化学等许多领域的进展奠定了基础。聚丙烯酰胺(pAAm)凝胶在分离科学和生物医学中有着广泛的应用。虽然pAAm凝胶在温和的条件下具有化学惰性，但修饰的pAAm凝胶在多种应用中有着广泛的用途。使pAAm凝胶具有新的机械、化学和生物特性的主要策略是与其他单体共聚。而模块化策略是根据生物医学到分析化学的应用特点定制功能化的水凝胶。

针对这一方向，美国加州大学伯克利分校AmyE.Herr教授团队通过铜催化叠氮-炔烃环加成（CuAAC）反应，对可点击的聚丙烯酰胺-丙烯酸丙酯(pAPA)水凝胶的性能进行了修饰。采用模块化功能化方法，用二苯甲酮（BP）和丙烯酸酯基团修饰pAPA凝胶。BP基团允许使用光活化与未修饰的蛋白进行凝胶功能化。丙烯酸酯基团可以接枝到凝胶上，为在pAPA凝胶基质中生长的聚合物链提供了接枝位点。作者利用二硫化还原剂溶液处理凝胶，实现50%的固定蛋白和接枝共聚物的按需释放。相关论文“ReversibleFunctionalizationofClickablePolyacrylamideGelswithProteinandGraftCopolymers”发表于杂志AdvancedFunctionalMaterials上。

首先，作者设计了一个三阶段、模块化的方法来设计pAAm共聚物凝胶的化学功能。其过程包括制造可点击的水凝胶，一个带有双功能连接基团的初始凝胶内CuAAC反应，以及第二个带有盖层基团的凝胶内CuAAC反应。可变连接体和盖层基团的性质决定了修饰后的可点击凝胶的最终化学功能，作者开发了一个框架，通过连续的凝胶内CuAAC反应来优化可点击凝胶的功能化（图1）。

图1一种模块化策略，通过连续的CuAAC反应赋予可点击水凝胶新的化学性质

接下来，作者试图开发一种与未修饰(如天然)蛋白兼容的可逆蛋白质固定化策略。通过连续的凝胶内CuAAC反应引入可逆性的光激活固定化pAPA凝胶中未修饰的蛋白:首先使用可切割的N3-SS-N3连接子，其次使用BP-炔烃盖层(图A)。总的来说，BP功能化的pAPA凝胶可以在紫外线照射下保留蛋白质，并在二硫化还原剂的作用下释放捕获的蛋白质（图）。

图具有可切割二苯甲酮覆盖基团的pAPA凝胶的功能化提供了可逆的蛋白质固定化

然后，作者用可裂解的凝胶对pAPA凝胶进行了修饰，通过可逆接枝共聚物来瞬间改变pAPA凝胶的化学性质。作者评估了相应功能化的pAPA凝胶中的丙烯酸酯覆盖基团接枝共聚物，将丙烯酸酯功能化的pAPA凝胶与甲基丙烯酸罗丹明B(RhoB，可溶性单体)和光引发剂溶液孵育，将凝胶和单体溶液暴露在紫外光下，并在清洗后测量RhoB荧光信号在凝胶中的保留情况。同时，根据释放的接枝共聚物的扩散性来估计接枝在pAPA凝胶上的RhoB共聚物的分子量来确定接枝RhoB的τ（图3）。

图3具有可剪切丙烯酸酯封盖基团的pAPA凝胶具有可可逆的接枝功能化

最后，在CuAAC反应中，多个中间体在不可逆形成最终三唑产物之前可逆形成。由于中间体可以平衡存在，三唑化合物的最终浓度必须随中间体平衡浓度的增加而增加。反过来，后者取决于可溶叠氮试剂的浓度。因此，作者预测在低浓度的可溶叠氮化物下，凝胶结合的炔烃在凝胶内CuAAC反应中只会消耗一小部分，而未反应的基团可以用于另一个反应。并设计了模型对凝胶结合的炔烃基团在pAPA凝胶上的消耗量和可用性进行了检测。同时，结果还表明，功能化pAPA凝胶与可溶性叠氮化物的浓度不饱和。也就是说，由于凝胶结合的炔烃消耗量可以通过调节可溶性叠氮化物试剂的浓度来预测，所以作者可以通过凝胶内连续的CuAAC反应来制备具有多种化学功能组合的pAPA凝胶（图4）。

图4N3-SS-N3介导的交联是由于在pAPA凝胶上增加了凝胶结合的炔烃基团的消耗

在本研究中，为了通过原型技术加速多功能水凝胶的开发，作者设计了一种通用的、模块化的策略来设计pAAm共聚物凝胶的化学特性。采用连续的、凝胶内的CuAAC反应，赋予由AAm和丙烯酸丙酯(pAPA凝胶)组成的可点击共聚物水凝胶新的化学功能。通过一种可剪切的连接剂，将含有BP和丙烯酸酯官能团的pAPA凝胶功能化。同样，相应修饰过的pAPA凝胶上的丙烯酸酯基团为在pAPA凝胶基质中生长的聚合物链提供了接枝位点。基于此设计的简单框架对水凝胶材料的生物和化学特性在生物医学和分析化学等领域的研究具有重要意义。

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