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水凝膠是一類擁有極為親水三維網絡結構的高分子聚合物，通常由親水性高分子物質交聯而成，能夠吸收它本身質量幾十倍到幾千倍質量的液體進行溶脹而不溶解。根據交聯網絡作用力的不同，水凝膠可以分為物理水凝膠、化學水凝膠和復合水凝膠。物理水凝膠主要通過分子間靜電力、氫鍵、疏水性等相互作用交聯而成，而化學水凝膠則主要通過發生化學反應生成化學鍵交聯而成。構成復合水凝膠的作用力則同時包含物理作用和化學作用。

用于制作水凝膠的材料包括天然高分子材料和和合成材料。近年來，具有生物相容性和降解性的多糖、多肽類等生物大分子成為制備水凝膠的首選材料。天然高分子來源廣泛，降解產物對人體無毒無害，甚至可以作為營養物質被人體吸收，其作為藥物或營養物質的載體具有天然優勢，在細胞培養、軟骨和骨組織再生等方面具有潛在的應用前景。天然高分子主鏈中含有大量基團，可直接參與形成動態共價鍵/非共價鍵的反應。對鏈段上的羧基、氨基、羥基以及醛等官能團進行化學修飾，可以在增強物理化學性質的同時提高有效性。許多研究利用明膠、纖維素、殼聚糖、海藻酸鹽、透明質酸、淀粉以及硫酸軟骨素等天然高分子通過改性修飾的方法制備水凝膠。

合成聚合物具有化學惰性、強彈性模量、靈活性和易于修飾等特點，也是制備水凝膠的一類重要材料來源。合成聚合物能夠克服天然高分子水凝膠機械性能較差、自愈合時間較長等缺點，如聚乙二醇、聚丙烯酰胺和聚乙烯醇等合成材料具有良好的生物相容性，常用來制成水凝膠并應用于組織工程等領域。

水凝膠的研究應用

1.組織工程

水凝膠具有優異的仿生學性能，在促進骨組織修復再生以及促進傷口愈合等組織工程方面具有重要作用。關節軟骨是一種無血管、無神經的結締組織，一旦受損，自發修復和再生能力很弱，同時還有引發骨關節炎( osteoarthritis，OA) 的潛在風險。研究表明，細胞微環境可影響細胞遷移、黏附、增殖和分化，通過生物材料支架構建軟骨微環境已成為有效促進軟骨修復和再生的重要手段。

由于具有較低的免疫反應、極高的吸水性、生物相容性和可降解性等物質結構和生物化學上的仿生學特性，水凝膠被廣泛用來作為實現骨再生的仿生材料。研究發現，通過在甲殼素中引入單寧酸和片層二維材料，取向制備平行排列甲殼素大分子鏈和片層堆疊的甲殼素基各向異性水凝膠。實驗表明，該水凝膠不僅具有良好的生物相容性，而且可促進骨髓間充質干細胞在取向膜上延伸生長和遷移，促進成骨分化和骨缺損修復。

水凝膠由于在一定條件下可以保持一定的形狀與體積，同時又具有良好的保水性和血液相容性，可以成為培育組織細胞、實現原位再生的重要基質材料。有研究將血小板膜溶液與一定比例已活化的海藻酸鈉( Na-Alg) 溶液混合，隨后加入銀納米顆粒 ( Ag nanoparticle，Ag NPs )，放入-20 ℃冰箱中24 h，制得血小板仿生水凝膠。此方法保證了水凝膠中不存在非天然官能團，提高了組織相容性和血液相容性，極大地降低了免疫排斥的可能，又具有一定抗菌性能，可以減少抗生素的濫用和耐藥菌的產生。同時可根據不同臨床情況調整血小板( PLT) 和 Na-Alg 的比例，從而制得機械強度和韌性可調的水凝膠。實驗結果表明，生物激發的 PLT 水凝膠具有高度的柔韌性、舒適度、透氧性、保水性、血液相容性，有助于急性組織損傷的止血，防止細菌增生，促進傷口愈合過程中血管生成、膠原沉積和肉芽組織的形成，將極大節約經濟成本和社會成本。

還有研究將呋喃改性的透明質酸( HA-furan) 與星形四臂馬來酰亞胺聚乙二醇交聯，形成 HA水凝膠作為第一共價交聯網絡，然后在體系中引入Ca2+，使結冷膠( gellan gum，GG)交聯形成第二個物理交聯網絡。GG和Ca2+之間的離子鍵可以有效提高雙網絡水凝膠( double network hydrogel，DN ) 的力學強度、抗疲勞性能和自恢復性能。此雙網絡水凝膠的力學性能可通過多糖的分子量和濃度、HA-furan的濃度和取代度以及 Ca2 + 濃度加以調控。體外研究顯示，此水凝膠可促進軟骨細胞增殖、支持軟骨細胞外基質特異性硫酸化糖胺聚糖和Ⅱ型膠原沉積，促進軟骨組織的形成。

另有研究證實了一種促進脊髓損傷后軸突再生和運動恢復的雙功能水凝膠，該雙功能水凝膠以咪唑-聚(有機磷腈) 和細胞外基質成分為交聯基質，通過疏水作用與一種降解生長抑制因子的人類酶( arylsulfatase B，ARSB ) 形成水凝膠復合物注射入脊髓中連接囊腔并形成水凝膠仿生細胞外基質，該仿生水凝膠可持續釋放ARSB，橋接組織缺陷的同時緩解纖維化微環境，促進血清素能軸突在水凝膠誘導基質中的生長，增強腰椎運動神經元的神經支配，促進脊髓再生。

2.柔性傳感器

水凝膠由于其高度可調控的吸水性和生物相容性， 在柔性傳感器領域具有廣泛的應用前景。柔性傳感器是指將敏感材料集成在柔性基底上的傳感器，其主要應用于人機交互、生物監測、柔性電子等領域。傳統柔性傳感器基底材料普遍受到易吸濕、耐久性差、靈敏度低、抗干擾能力弱等因素的限制，而水凝膠及其復合材料所具有的高度可調控的吸水性和生物相容性使其成為解決這些問題的理想材料。

近年來，研究人員已經開始將水凝膠應用于柔性傳感器的設計中。有研究將聚乙二醇二丙烯酸酯 ( polyethylene glycol diacrylate，PEGDA ) 和碳納米管( carbon nanotubes，CNT) 引入純凝膠網絡，在增加交聯位點的同時增強力學性能，隨后引入具有大量兒茶酚結構的聚多巴胺( polydopamine，PDA) 預聚物，所制得復合材料具有優異的濕組織粘附性和持久的抗疲勞特性。此原位表皮水凝膠具有較高的靈敏度、快速響應性和長期耐久性，且具有較低的電極阻抗，可用于動態監測人體運動和表面肌電圖( surface electromyography，sEMG) 等生物化學信號，進而監測人體健康。

同時，通過改良水凝膠基質的材料，可以有效提升目標信號的監測能力。人體是一個極為復雜的系統，系統內部存在廣泛的生理生化信號，在進行特定指標的監測時不免會受到其他動態噪聲的干擾，導致目標信號傳輸出現微弱、錯誤和延遲等問題。通過改變水凝膠基質的材料，可以突破人體動態噪聲所產生信號偽影的限制，避免帶通濾波器帶來的信號缺失，有效提高信號監測的信噪比。受蜘蛛黏彈性表皮墊可精準區分振動信號和機械噪聲的啟發，有研究開發出一種黏彈性明膠-殼聚糖水凝膠，在受到外部振動刺激時，該水凝膠內部的交聯鍵進行解離重排，從而表現出高阻尼和相變，實現選擇性頻率阻尼，且無論外部機械噪聲如何，該水凝膠阻尼器均可及時追蹤采集到清晰穩定的生理信號。

3.藥物遞送

水凝膠由于其高度可調控的吸水性、高降解性和優異的生物相容性，進行藥物的裝載可有效提升藥物靶向能力以及藥物利用度。載藥水凝膠可受人體生理環境條件如 pH 改變而激發，從而改變其收縮溶脹性能、降解和滲透性能，因此在藥物遞送領域有較大優勢。有學者研發了一種基于pH 敏感性抗菌水凝膠的藥物遞送系統，該研究將海藻酸鈉(sodium alginate，SA)、檸檬酸( citric acid，CA)、萬古霉素( vancomycin，Van) 三者進行簡單交聯，SA和CA通過 SA的-OH與C=O 和CA的-COOH 基團之間的氫鍵相互作用交聯，而Van 則通過可逆的亞胺鍵被加載到水凝膠網絡體系中參與交聯。如此制備pH 敏感性抗菌水凝膠，研究表明，Van 負載水凝膠具有酸敏感特性，水凝膠在酸性條件下進行分解釋放藥物具有零階動力學，提高了細胞相容性和生物利用度。

mRNA疫苗為晚期癌癥免疫治療的新策略，為保護mRNA 不被降解并遞送至靶細胞，脂質納米顆粒( lipid nanoparticles，LNP) 被廣泛用作病毒載體，然而載有mRNA的LNP穩定性極大限制其應用。而采用水凝膠包裹 mRLNP 的方法，可通過水凝膠不同生理條件下的狀態轉變來控制 mRLNP的釋放，提高穩定性的同時實現持久有效的癌癥免疫治療。

傳統的敷料雖然對創面有保護作用，但在透水透氣、阻止細菌進入、生物相容性等方面不能滿足當前對醫用敷料性能的要求。隨著對水凝膠敷料研究的逐漸深入，研究者發現水凝膠敷料具有可調節的物理和化學性能、可功能化、具有與細胞外基質類似的結構特點，并且通過改變原料、改進制備方法，可以制備出多種功能復合的新型水凝膠敷料。因此，水凝膠敷料作為一種新型生物醫用敷料具有廣闊的應用前景。

參考資料：

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本文由廣州佳譽醫療器械有限公司/佛山浩揚醫療器械有限公司聯合編輯