通过磁性印记来控制凝胶化过程，从而实现对水凝胶硬度的外部编程

《Journal of Colloid and Interface Science》：Magnetic imprinting of gelation pathways enables external programming of hydrogel stiffness

磁水凝胶的机械响应由磁颗粒自组装与凝胶网络形成两过程耦合决定。实验表明磁场施加时机比场形更关键：通过控制三轴磁场与动态共价凝胶的同步时间窗口，颗粒网络调控交联路径和凝胶化动力学，从而实现可控各向异性强化。低浓度颗粒网络机械贡献可忽略，其作用在于改变凝胶形成方式而非直接增强力学性能。研究揭示时间同步对磁水凝胶各向异性形成至关重要，为软材料设计与生物制造提供新范式。

　　

Jesús García-Gutiérrez|Guillermo Camacho|Jose R. Morillas|Juan de Vicente|Stefania Nardecchia

摘要

磁性水凝胶为工程化各向异性软材料提供了强大的工具，但其机械响应受到两个相互关联但不同的过程的控制：(i) 磁性颗粒的自组装；(ii) 水凝胶网络的形成。我们证明了磁场施加的时机，而不仅仅是场几何形状，是决定机械强化的关键因素。通过使用单轴、双轴和三轴磁场，我们系统地研究了颗粒结构如何与氧化层粘连蛋白-明胶动态共价水凝胶的凝胶化动力学相互作用。相同浓度的颗粒悬浮液与水凝胶相比，表现出可忽略的粘弹性，这证实了颗粒网络并未直接增强基质。相反，我们发现场诱导的颗粒结构调节了交联途径和凝胶化时间尺度，从而改变了最终的机械性能。只有当颗粒结构在聚合物网络充分发育以固定它们的时间窗口内渗透时，才能实现稳定的各向异性强化。这些发现揭示了颗粒组装和凝胶化之间的时间同步性，这是一个之前被忽视的设计参数，使得可以外部控制水凝胶的机械性能和各向异性。

引言

秩序和结构各向异性是生物系统的基本特征，支撑着肌肉、肌腱和骨骼等复杂组织的结构和功能[Wang等人[33]；Liu等人[15]；Mostert等人[24]]。这种组织起源于细胞外基质（ECM），其各向异性的微观结构提供了机械支持，并调节包括迁移、增殖和分化在内的基本细胞过程[Liu等人[14]]。受此启发，工程化水凝胶因其可调的粘弹性、可注射性和封装活细胞的能力而被广泛研究[Neves等人[25]]。然而，大多数水凝胶仍然是各向同性的，再现天然组织的方向性组织仍然是生物制造中的一个核心挑战[Pardo等人[26]]。

磁场为克服这一限制提供了有希望的途径。当磁性颗粒（MPs）被纳入水凝胶前体中时，外部场可以驱动它们自组装成有序的结构，从而赋予形成的网络各向异性[de Vicente [7]]。更广泛地说，磁场提供了一种远程且非侵入性的方式来控制软材料的内部组织和功能行为。最近的生物医学应用，包括通过旋转磁性水凝胶介导的迷走神经刺激和用于治疗骨关节炎的磁热调节策略，展示了人们对这种方法的日益兴趣[例如Wang等人[34]和Lv等人[16]]。除此之外，磁性结构的水凝胶还因为颗粒组织可能会影响整体力学性能——尤其是在足够高的颗粒负载下[Messing & Schmidt [23]]——以及引导细胞定向，这在再生医学中具有明显的意义[Antman-Passig & Shefi [1]；Kim等人[11]；Richard等人[29]]。

以往的努力主要依赖于静态单轴场来生成一维（1D）链状结构，从而产生具有单轴各向异性的水凝胶。尽管这些策略具有潜力，但由于对颗粒聚集动力学与基质凝胶化动力学之间相互作用的理解不完全，将其转化为稳健的生物材料受到了阻碍。一个核心挑战在于精确控制场施加的时机。磁性自组装和水凝胶交联是同时发生的过程，必须仔细同步。如果场施加的时间太短，颗粒只会聚集成小的、不连续的团簇，不足以改变水凝胶的流变性质。相反，过长的暴露时间不仅可能导致技术问题，如发生发电机加热[Laurent等人[12]]，还可能限制颗粒在基质硬化过程中的重新排列。最重要的是，场必须维持足够长的时间，以便颗粒达到渗透状态，但在凝胶充分成熟以固定形成的结构并防止沉降和松弛后，必须立即撤除场。因此，聚集和凝胶化时间尺度之间的平衡对于稳定水凝胶中的磁性诱导结构至关重要。

最近在三轴磁场发生器方面的发展扩展了设计空间，超越了单轴结构[Martin等人[21]；Martin & Snezhko [20]；Tajuelo等人[30]；Camacho等人[4]]。虽然单轴稳态场（以下简称单轴直流场）促进链状结构的形成，但更复杂的场配置可以产生不同的对称性。通过结合静态和正交振荡分量产生的扰动场已被证明可以将颗粒组织成层状二维结构[Terkel & de Vicente [31]；Ben Salah等人[3]]。三轴场进一步使得形成三维螺旋状结构成为可能，为在不同长度尺度上具有定制各向异性的水凝胶提供了可能性[Erb等人[8]；Qin等人[28]]。这些方法表明，磁性结构不仅限于一维秩序，而且可以在适当利用凝胶化时间窗口的情况下扩展到更复杂的各向异性图案。

在设计磁性水凝胶时，另一个通常隐含的假设是机械强化主要来源于颗粒网络本身。然而，在通常用于保持生物相容性和防止沉降的相对较低颗粒负载下，水凝胶基质的整体粘弹性响应超过了颗粒的贡献。这提出了一个基本问题：磁性结构是通过自身的机械硬度来增强水凝胶的，还是通过改变聚合物网络的凝胶化途径来实现的？

在这项研究中，我们通过探索场施加的时机如何控制磁性结构水凝胶的形成和稳定来解决这个问题。通过在基于氧化层粘连蛋白（oxLAM）和明胶（G）的动态共价水凝胶凝胶化过程中系统地施加单轴场、扰动场和进动场，我们研究了颗粒聚集与网络硬化之间的同步性如何决定是否能够实现渗透的、场响应的结构。结合小幅度动态振荡测试和正常力测量，我们发现磁性颗粒结构的内在机械贡献与水凝胶基质的贡献相比可以忽略不计。相反，场诱导的结构被证明可以间接调节凝胶化动力学和交联各向异性，从而实现外部可控的机械性能。我们的发现确立了凝胶化过程中的时间控制是设计各向异性磁性水凝胶的关键参数，为它们在软物质物理学、生物制造和再生医学中的应用开辟了新的可能性。

实验部分

实验部分

oxLAM是通过过碘酸钠氧化（≥99.8%；2.06毫升）从层粘连蛋白（5 kDa，Carbosynth；Eisenia bicyclis）合成的，遵循Costa等人的方法[5]，并通过傅里叶变换红外（FTIR）光谱和叔丁基卡巴扎特/2,4,6-三硝基苯磺酸（tBC/TNBS）测定法进行表征[Lavrador等人[13]]。冻干样品的FTIR-ATR光谱以2 cm^?1的分辨率（75次扫描）使用JASCO 6200光谱仪获得。tBC/TNBS反应（tBC，>97%；H?O中的w/v比）

水凝胶的凝胶化

水凝胶的凝胶化是使用含有醛基的oxLAM实现的，这是通过简单且环保的水相氧化修饰获得的。醛基的存在通过在FTIR光谱中1734 cm^?1处出现的羰基伸缩带来确认（补充图2a），而oxLAM的氧化程度——使用tBC/TNBS测定法量化——为47.7%，与先前报道的数据一致[Lavrador等人[13]]。随后，oxLAM与G混合，

结论

这项工作表明，在通常用于保持可注射性和生物相容性的低颗粒浓度下，磁性结构的颗粒网络并未对水凝胶提供显著的直接机械贡献。对稀释磁性悬浮液的独立测量证实，即使在施加场的情况下，它们的粘弹性模量也与oxLAM–G基质的相比可以忽略不计。因此，在磁性水凝胶中观察到的明显强化效应可以

CRediT作者贡献声明

Jesús García-Gutiérrez：撰写——审阅与编辑，撰写——初稿，方法学，研究，数据管理。Guillermo Camacho：撰写——审阅与编辑，撰写——初稿，验证，方法学。Jose R. Morillas：撰写——审阅与编辑，撰写——初稿，验证，软件，研究，形式分析。Juan de Vicente：撰写——审阅与编辑，撰写——初稿，可视化，监督，资源，项目管理，方法学，资金

利益冲突声明

作者声明他们没有可能被视为潜在利益冲突的财务利益或个人关系。

致谢

这项工作得到了MCIN/AEI资助的项目PID2022-138990NB-I00和TED2021.129384B·C22的支持10.13039/501100011033，以及EU NextGenerationEU/PRTR的支持。G. C.感谢FPU20/04357奖学金的财政支持。Isabel Sánchez Almazo（来自Centro de Instrumentación Científica，UGR）在SEM研究中的协助表示衷心的感谢。