大家好！今天咱們來聊聊一種很神奇的材料 —— 基於動態共價鍵的材料——【Dynamic covalent bond-based materials: From construction to biomedical applications】發表於【Supramolecular Materials】。你知道嗎？這種材料在生物醫學領域可是有著大作用呢。它有個特別的本事，就是能根據環境變化做出反應。那它是怎麽做到的呢？這就和它的化學結構有關啦。接下來，我們就一起深入了解一下這種材料的化學特性，看看它是如何被設計構建的，又在生物醫學套用中發揮了哪些重要作用。
*本文只做閱讀筆記分享*
一、引言
動態共價鍵（DCBs）自1999年被提出後，在動態組合化學和超分子化學中受到廣泛關註。DCBs具有獨特的可逆性和刺激響應性，能賦予材料多種優良特性，在生物醫學領域有廣泛套用前景。
二、動態共價鍵的化學性質
（一）亞胺鍵（Iminebond）
亞胺鍵由醛或酮與伯胺縮合而成。例如在植物代謝中，亞胺鍵在吡哆醛5’-磷酸（PLP）依賴酶和天然產物生物合成中起重要作用。在生理條件下它可發生多種反應，且在腫瘤微環境或傷口部位的酸性條件（pH≈6）下，亞胺鍵水解和復分解反應可用於生物醫學套用，如許多生物大分子可與醛修飾的聚合物形成亞胺鍵，構建化石相容性材料。
（二）硼酸酯鍵（Boronateesterbond）
硼酸酯鍵由硼酸與順式-1,2-或1,3-二醇縮合形成。其平衡取決於硼酸的pKa，在不同條件下形成不同結構的硼酸酯。例如苯基硼酸（PBA）衍生物常用，但因其高pKa受限制，透過化學修飾可使其在生理pH下可逆形成或斷裂。此外，它對葡萄糖和果糖等醣類有響應，可用於構建多功能材料。
（三）二硫鍵（Disulfidebond）
二硫鍵由兩個半胱胺酸殘基的巰基氧化形成，在蛋白質構象維持中起重要作用。它可透過不同途徑發生交換反應，且受氧化還原平衡影響，在細胞內還原劑谷胱甘肽（GSH）存在下可被裂解，在氧化環境下則促進形成。因此，二硫鍵在動態材料尤其是聚合物藥物遞送系統中有廣泛套用。
（四）含硒DCBs（Selenium-containingDCBs）
如二硒鍵（Se-Se），鍵能較低，對溫和刺激更敏感。例如在腫瘤微環境中，含二硒鍵的嵌段共聚物可用於構建可控釋放的藥物遞送系統。含硒化合物還可調節生理環境中的氧化還原平衡，如抗氧化藥Ebselen及其衍生物中的Se-N鍵可與相關酶反應。
三、DCB材料的設計與構建
（一）水凝膠（Hydrogels）
水凝膠是由動態共價鍵交聯的親水或兩親性聚合物網路，具有自愈合、可註射和響應性等特性，可模擬細胞外基質，為細胞生長提供生理環境，還可用於治療性生物分子的遞送。例如，一些天然產物和化學修飾聚合物可用於構建水凝膠，使其具有不同生物功能，套用於生物醫學領域。
（二）聚合物奈米載體（Polymericnanocarriers）
將動態共價鍵引入聚合物主鏈或側鏈，可使奈米載體對pH、氧化還原和放射線等刺激產生響應。例如，在癌癥治療中，這些奈米載體可用於藥物遞送，透過結構變化促前進演化療藥物釋放。還可將治療分子或熒光分子整合到聚合物側鏈，用於診斷、生物成像或分子檢測。
（三）無機奈米顆粒（Inorganicnanoparticles）
1、介孔二氧化矽奈米顆粒（MSNs）
MSNs具有大比表面積、可調孔徑、高穩定性和化石相容性等優點。其表面的矽醇（Si-OH）基團可進行多種修飾，包括修飾動態共價鍵，用於生物成像、診斷和藥物釋放。
2、其他無機奈米顆粒
如金奈米顆粒（AuNPs）和碳點（CDs）等，透過特定方法制備後，可進一步修飾動態共價鍵，使其對氧化還原平衡和酶活性產生響應，用於調節細胞內微環境。還有如Fe₃O₄磁性奈米顆粒和硫化鎘（CdS）量子點等也可透過修飾用於藥物遞送和臨床診斷。
（四）前藥（Prodrugs）
動態共價鍵作為前藥的響應模組，在特定刺激下可觸發體內生物轉化或結構重排，釋放活性藥物。例如，在腫瘤微環境的pH變化和氧化還原環境下，前藥可釋放活性藥物，具有高載藥量、長迴圈時間、更好的靶向性和更少的副作用等優點。
四、DCB材料的生物醫學套用
（一）藥物遞送（Drugdelivery）
DCB材料可用於疏水性藥物的封裝和遞送，如阿黴素（DOX）、喜樹堿（CPT）和紫杉醇（PTX）等。動態共價鍵對生理刺激的響應可實作藥物的控釋。例如，亞胺鍵和硼酸酯鍵可響應腫瘤微環境的酸性條件，二硫鍵和二硒鍵可響應炎癥區域的氧化還原條件。藥物可被封裝在水凝膠、聚合物組裝體或無機奈米顆粒中，實作不同方式的遞送和釋放。
（二）酶調節（Enzymeregulation）
1、酶的封裝和啟用
動態共價聚合物可透過調整細胞內酶環境來封裝和啟用酶。例如，透過構建亞胺基聚合物網路封裝碳酸酐酶或脂肪酶，增強其催化活性。
2、酶功能的抑制
DCB材料也可透過與酶的活性位點直接反應來抑制酶的功能。例如，含PBA的嵌段共聚物可抑制絲胺酸蛋白酶和脂肪酶的活性，含硒化合物可透過與硫氧還蛋白還原酶（TrxR）的活性位點反應，抑制其活性，誘導腫瘤細胞雕亡。
（三）分子辨識與檢測（Moleculerecognitionanddetection）
1、醣類檢測
利用硼酸對二醇分子的響應性，可開發各種DCB材料用於醣類檢測。例如，硼酸修飾的奈米顆粒或熒光探針與醣類作用後，熒光強度會發生變化，可用於檢測葡萄糖、果糖和半乳糖等。
2、其他生物分子檢測
除醣類外，還可檢測其他含二醇的生物分子，如ATP和多巴胺等。例如，透過將特定分子與PBA連線，可實作對ATP的檢測，或利用PBA修飾的量子點檢測多巴胺。同時，PBA基材料還可透過與細胞表面的唾液酸部份交互作用，用於檢測細胞。
（四）傷口愈合（Woundhealing）
水凝膠因高保水能力、可註射性、組織粘附性和化石相容性等優點成為傷口愈合材料的研究熱點。動態共價鍵的引入使其具有響應性、機械和自愈合特性，可促進傷口愈合。例如，透過亞胺鍵形成的自愈合水凝膠可用於傷口閉合，一些水凝膠還可負載抗菌和抗氧化藥物，在傷口部位響應釋放，促進細胞增殖和傷口愈合。
（五）生物傳感（Biosensing）
DCB材料的獨特響應性和黏彈性使其成為構建生物傳感器的理想材料。例如，基於亞胺鍵的水凝膠可用於葡萄糖生物傳感，透過電位和電流訊號變化監測葡萄糖濃度。還有基於PBA的水凝膠傳感器可用於無線葡萄糖監測，以及PBA修飾的導電聚合物可用於非氧化多巴胺傳感。此外，動態共價交聯的導電水凝膠和彈性體可作為可穿戴應變傳感器，監測人體運動和微變形行為。
（六）細胞培養（Cellculture）
動態共價水凝膠可用於三維細胞培養，模擬細胞外基質的黏彈性特性，研究機械和結構特性對細胞行為的影響。例如，基於硼酸酯鍵或二硫鍵的三維細胞培養平台可用於細胞培養和封裝，一些剪下變稀和可註射的動態共價水凝膠還可為幹細胞提供機械保護，用於幹細胞遞送或中樞神經系統修復。
五、總結與展望
DCB材料在生物醫學領域有廣泛套用，但在材料穩定性和動態可逆性的平衡、與生理微環境的交互作用以及開發4D響應材料等方面仍面臨挑戰。未來需要探索新的DCB生物功能材料，以進一步推動其在疾病診斷、治療和組織工程中的套用。
六、一起來做做題吧
1、亞胺鍵是由什麽反應形成的？
A.醛或酮與伯胺的縮合反應
B.醛與仲胺的縮合反應
C.酮與叔胺的縮合反應
D.醛與伯胺的氧化反應
2、硼酸酯鍵在水溶液中形成的結構是
A.中性三角硼酸酯（sp2混成）
B.四面體負電荷硼酸酯（sp混成）
C.線性硼酸酯（sp混成）
D.平面四邊形硼酸酯（sp2混成）
3、二硫鍵在細胞內什麽條件下會被裂解？
A.在氧化劑存在下
B.在還原劑谷胱甘肽（GSH）存在下
C.在酸性條件下
D.在堿性條件下
4、二硒鍵（Se-Se）的鍵能大約是多少？
A.172kJ/mol
B.200kJ/mol
C.300kJ/mol
D.400kJ/mol
5、水凝膠的特點不包括以下哪項？
A.溶解於水
B.保留大量水分
C.具有三維結構
D.可由動態共價鍵交聯
6、聚合物奈米載體引入動態共價鍵後主要的作用是
A.增載入體的大小
B.使載體具有顏色
C.使載體對刺激產生響應
D.降低載體的成本
7、介孔二氧化矽奈米顆粒（MSNs）用於生物醫學套用的優勢不包括
A.大比表面積
B.不可修飾
C.可調孔徑
D.高穩定性和化石相容性
8、前藥中動態共價鍵的作用是
A.增加藥物的穩定性
B.作為熒光標記
C.在特定刺激下觸發藥物釋放
D.改變藥物的顏色
9、以下哪種動態共價鍵通常設計為響應腫瘤微環境中的酸性條件？
A.二硫鍵
B.二硒鍵
C.亞胺鍵和硼酸酯鍵
D.含硒化合物中的Se-N鍵
10、含PBA的嵌段共聚物對哪種酶有抑制作用？
A.碳酸酐酶
B.硫氧還蛋白還原酶（TrxR）
C.絲胺酸蛋白酶和脂肪酶
D.脂肪酶和碳酸酐酶
11、利用硼酸對二醇分子的響應性，可檢測以下哪種物質？
A.所有蛋白質
B.醣類和部份生物分子
C.所有核酸
D.所有脂質
12、水凝膠在傷口愈合套用中的優勢不包括
A.高保水能力
B.不可註射
C.組織粘附性
D.化石相容性
13、基於亞胺鍵的水凝膠可用於檢測哪種物質？
A.多巴胺
B.葡萄糖
C.ATP
D.所有生物分子
14、動態共價水凝膠用於細胞培養的優勢是
A.只能用於二維細胞培養
B.可模擬細胞外基質的特性
C.抑制細胞生長
D.改變細胞的基因組成
參考文獻：
Xianyu, et al. Dynamic Covalent Bond-Based Materials: From Construction to Biomedical Applications. Supramolecular Materials (2024): n. pag.
