水凝胶是一种含水量很高的高分子三维网络，具有优异的亲水性和良好的化学适应性。利用外界刺激诱导原位合成水凝胶，具有重要意义。随着相关研究的不断深入，设计具有更高可控性的诱导途径是该领域的重点研究方向之一。光交联反应是合成水凝胶有效途径，其主要是利用高分子链中的光敏基团，或光引发剂，在光照作用下，诱发交联，形成三维网络结构。这种高度可控的成胶特性，已在伤口快速止血、离子凝胶导体性能调控、光刻技术等领域呈现显著优势。需要注意的是，光交联反应通常由紫外/可见光区范围内的光波进行诱发，但该区间的光波在生物组织中的穿透性较差。这一缺陷严重限制了利用光交联反应在动物体内等密闭体系中进行水凝胶的原位合成，也限制了其在深部组织修复，肿瘤栓塞治疗等领域的进一步应用。
图1. 不同光源对组织穿透深度的示意图及X射线-光引发级联反应体系
针对上述问题，杨艳民教授和张海磊副教授在前述研究基础上（Nat. Commun., 2024, 15，2055），进一步与美国马萨诸塞大学医学院韩刚教授展开合作：基于埃洛石纳米管（HNTs）的表面修饰，在纳米管表面原位合成和具有X射线激发长余辉发光性能的纳米复合材料（HNTs@YF3:Tb3+），具有良好的水分散性能，低毒性，且与聚合物基质相容性良好。X射线经HNTs@YF3:Tb3+媒介作用转化形成的可见光，可用于进一步激活光引发剂樟脑醌/环糊精超分子络合物，产生自由基，诱发烯类单体发生自由基聚合，实现原位合成水凝胶的目的。论文作者已在肌肉组织体外模型、大鼠动物模型和体外骨缺损模型中对对上述X射线-光引发级联反应体系诱导深层组织原位成胶的可行性进行了验证。上述级联引发体系也有望与其他光化学工艺，如光固化、光催化等结合，有望在深层齿缺损修复、肿瘤栓塞治疗、体内深层组织原位修复、密闭器件内部探伤修复等领域取得进一步推广和应用。
图2. 本研究提出的X射线-光引发级联反应体系在不同领域的应用前景展望
相关工作“X-ray-activated polymerization expanding the frontiers of deep-tissue hydrogel formation”以河北大学为第一单位发表在国际著名期刊《Nature Communications》上（2024, 15，3247）。物理学院杨艳民教授与美国马萨诸塞大学医学院韩刚教授为共同通讯作者，化学学院张海磊副教授为论文第一作者和共同通讯作者。
上述研究工作得到了国家自然科学基金（Nos. 22102045&11974097），中央引导地方科技发展基金（No. 226Z1301G），河北省自然科学基金（No. B2020201072）和河北大学校长基金（No. XZJJ202210）和河北大学多学科交叉研究基金(DXK201301)资助。
原文链接：https://doi.org/10.1038/s41467-024-47559-z
（物理科学与技术学院、科学与技术创新研究院 供稿）
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