在可降解生物材料的设计中，材料的降解寿命至关重要。降解太快，材料还没发挥作用就消失了；降解太慢，可能影响组织自身修复，甚至引发排异反应。那么，能不能任意调节体内植入材料的降解速度呢？来自密歇根州立大学刘心悦团队的最新研究提出，可以用机械拉伸来实时调节水凝胶降解速度。该成果发表于Journal of Materials Chemistry B，并获该杂志的 2025Emerging Investigators推选。
从分子到材料的科学设想
在分子层面，拉伸状态下的高分子链更容易发生化学键断裂。那么，宏观的水凝胶材料在受拉伸时，是否也能加快降解？宏观材料的降解和单根分子链相比，通常会更加复杂，因为还受到网络结构和分子扩散的影响。
为了回答这个问题，团队选择了肽键交联的四臂PEG水凝胶（交联点可被蛋白酶 Proteinase K 特异性切断）作为模型材料，并搭建了实时力学监测平台。
水凝胶降解的实时监测平台
由于水凝胶是固体网络，很难用常规溶液分析手段（如GPC、NMR）直接观测降解过程中的化学变化。团队研发的平台可以在恒定应变下，实时记录维持拉伸所需的应力变化。在无降解条件下，应力保持稳定；加入蛋白酶后，水凝胶逐渐变软，而加载在两端的应力就随时间衰减，直至完全降解（图一）。
图一：通过实时监测拉伸应力来记录材料随时间降解过程。（上：实验平台，左下：四臂PEG水凝胶材料，右下：应力随时间变化曲线，应力下降代表降解）
拉伸越大，降解越快
通过上述的实验平台，团队测试了不同厚度和不同拉伸条件下材料降解的速度。团队观察到，拉伸可显著缩短降解时间。例如，厚度为5 mm的样品，在低拉伸比（λ = 2.0）降解需要3.5小时，而在高拉伸比（λ = 3.5）条件下降解会缩短到1.9 小时。不同厚度下，越厚的样品降解越慢，而拉伸对厚样品的加速效果会更明显。
图二：不同拉伸(2.0~3.5)和不同厚度(1~5mm)的水凝胶样品降解的特征时间对比统计。
分析拉伸在多尺度的影响
为了深入理解机械拉伸如何影响降解过程，团队建立了多尺度理论模型，将影响因素拆分为三个层次：(1) 宏观几何变薄。拉伸减少了水凝胶厚度，酶扩散路径更短(图三a)；(2) 网络网孔放大。拉伸扩大高分子网络的网孔，加快酶的扩散速度(图三b)；(3) 分子链张力提升。被拉直的分子链更容易发生酶切断裂 (图三c)。模型预测的降解时间与实验结果高度吻合，并能够揭示一些实验表征难以直接观测到的结论。比如，在低到中等拉伸比时，宏观几何变薄效应占主导；而在高拉伸比时，分子链张力提升的作用更明显，直接加速分子键断裂（图三下）。
图三：机械拉伸对水凝胶降解的多尺度作用机制与理论验证。上图分别为宏观、网络、分子链三个尺度的效果示意。下图是理论预测，拉伸（stretch, λ）可以降低酶扩散时间(τdiff)、高分子链降解时间(τdeg)、材料降解时间(τdiff+ τdeg)。
物理图像小结
在没有被拉伸的情况下，大尺寸的水凝胶通常受限于酶或者其他催化剂的缓慢扩散，降解反应往往只在表面逐渐进行，耗时长（5mm厚的样品需要 3.5 小时）。高拉伸（λ = 3.5）可显著促进酶渗透和键断裂，降解反应可以快速并且均匀的发生在整个水凝胶的体积内部，从而使降解时间缩短（5mm厚的样品 1.9 小时）。
图四：不同拉伸条件下的降解过程：（a）无拉伸时发生缓慢的表面降解，（b）有拉伸时发生快速的体积降解。
拉伸对药物释放的影响
为了验证机械力调控降解在生物医学领域的潜力，团队将荧光微球作为模拟药物，封装在可降解PEG水凝胶中，并在不同拉伸条件下测试释放行为。结果显示未拉伸时候，4 小时仅释放约 35% 的微球；而在高拉伸情况下，4 小时内材料快速降解，即可实现完全释放。这一结果表明，未来可结合体内机械刺激（如关节运动、肌肉收缩）或外部力学作用（如超声、磁驱动）来实现植入材料的按需降解与药物精准释放，为个性化治疗提供新策略。
图五: 机械力调控药物释放快慢的结果验证
论文第一作者为美国密歇根州立大学化工与材料科学系博士生 Akhiri Zannat，通讯作者为密歇根州立大学化工材料系助理教授刘心悦。
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