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水凝(ning)膠(jiao)是(shi)一(yi)類擁有極為親水三維網(wang)絡結(jie)構(gou)(gou)的高(gao)分(fen)子(zi)聚合(he)(he)(he)物(wu)，通(tong)常(chang)由親水性高(gao)分(fen)子(zi)物(wu)質(zhi)交(jiao)(jiao)(jiao)聯而(er)(er)成(cheng)，能(neng)夠(gou)吸收它本身質(zhi)量幾十倍到幾千倍質(zhi)量的液體進行溶脹而(er)(er)不溶解(jie)。根據交(jiao)(jiao)(jiao)聯網(wang)絡作(zuo)(zuo)用(yong)力的不同，水凝(ning)膠(jiao)可以分(fen)為物(wu)理水凝(ning)膠(jiao)、化學(xue)水凝(ning)膠(jiao)和(he)復合(he)(he)(he)水凝(ning)膠(jiao)。物(wu)理水凝(ning)膠(jiao)主要通(tong)過(guo)分(fen)子(zi)間靜電力、氫鍵、疏水性等相(xiang)互作(zuo)(zuo)用(yong)交(jiao)(jiao)(jiao)聯而(er)(er)成(cheng)，而(er)(er)化學(xue)水凝(ning)膠(jiao)則主要通(tong)過(guo)發生化學(xue)反應生成(cheng)化學(xue)鍵交(jiao)(jiao)(jiao)聯而(er)(er)成(cheng)。構(gou)(gou)成(cheng)復合(he)(he)(he)水凝(ning)膠(jiao)的作(zuo)(zuo)用(yong)力則同時(shi)包含物(wu)理作(zuo)(zuo)用(yong)和(he)化學(xue)作(zuo)(zuo)用(yong)。

用于(yu)制(zhi)作(zuo)水凝(ning)膠的(de)材(cai)料包括天(tian)(tian)(tian)然(ran)高(gao)(gao)分(fen)子(zi)(zi)(zi)材(cai)料和(he)和(he)合成(cheng)材(cai)料。近(jin)年來，具有(you)生(sheng)物(wu)相容性(xing)和(he)降(jiang)解性(xing)的(de)多糖、多肽類(lei)等(deng)生(sheng)物(wu)大分(fen)子(zi)(zi)(zi)成(cheng)為制(zhi)備水凝(ning)膠的(de)首選材(cai)料。天(tian)(tian)(tian)然(ran)高(gao)(gao)分(fen)子(zi)(zi)(zi)來源廣泛，降(jiang)解產(chan)物(wu)對(dui)人體無毒無害(hai)，甚(shen)至可以(yi)(yi)作(zuo)為營養物(wu)質(zhi)被人體吸收，其(qi)作(zuo)為藥物(wu)或營養物(wu)質(zhi)的(de)載體具有(you)天(tian)(tian)(tian)然(ran)優勢(shi)，在細(xi)胞培養、軟(ruan)骨和(he)骨組(zu)織(zhi)再生(sheng)等(deng)方面具有(you)潛在的(de)應用前(qian)景。天(tian)(tian)(tian)然(ran)高(gao)(gao)分(fen)子(zi)(zi)(zi)主鏈(lian)中含有(you)大量基團(tuan)，可直接參與形成(cheng)動(dong)態共價鍵(jian)/非共價鍵(jian)的(de)反應。對(dui)鏈(lian)段上(shang)的(de)羧基、氨基、羥基以(yi)(yi)及(ji)(ji)醛等(deng)官能團(tuan)進行化學修飾(shi)(shi)，可以(yi)(yi)在增強物(wu)理化學性(xing)質(zhi)的(de)同時提高(gao)(gao)有(you)效性(xing)。許多研究利用明(ming)膠、纖維素、殼(ke)聚糖、海藻酸(suan)鹽、透明(ming)質(zhi)酸(suan)、淀(dian)粉以(yi)(yi)及(ji)(ji)硫酸(suan)軟(ruan)骨素等(deng)天(tian)(tian)(tian)然(ran)高(gao)(gao)分(fen)子(zi)(zi)(zi)通過(guo)改性(xing)修飾(shi)(shi)的(de)方法制(zhi)備水凝(ning)膠。

合(he)成(cheng)(cheng)聚(ju)(ju)合(he)物(wu)具有(you)化學惰性、強彈性模量、靈(ling)活(huo)性和易于(yu)修飾等特點，也是制(zhi)(zhi)備(bei)水(shui)凝膠(jiao)(jiao)(jiao)的一類重要材料來源。合(he)成(cheng)(cheng)聚(ju)(ju)合(he)物(wu)能(neng)夠(gou)克服天然高分子(zi)水(shui)凝膠(jiao)(jiao)(jiao)機械性能(neng)較差、自(zi)愈合(he)時間較長(chang)等缺點，如聚(ju)(ju)乙二醇、聚(ju)(ju)丙烯酰胺和聚(ju)(ju)乙烯醇等合(he)成(cheng)(cheng)材料具有(you)良好的生物(wu)相容性，常用來制(zhi)(zhi)成(cheng)(cheng)水(shui)凝膠(jiao)(jiao)(jiao)并應用于(yu)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(you)優異的仿(fang)生(sheng)學性(xing)能，在促(cu)進(jin)骨組(zu)織(zhi)修(xiu)復再(zai)生(sheng)以及促(cu)進(jin)傷口愈(yu)合等組(zu)織(zhi)工程方面具有(you)重(zhong)要(yao)作用。關節(jie)軟(ruan)骨是一種(zhong)無血管、無神經的結(jie)締組(zu)織(zhi)，一旦受損(sun)，自(zi)發修(xiu)復和再(zai)生(sheng)能力很(hen)弱(ruo)，同(tong)時還有(you)引發骨關節(jie)炎(yan)( osteoarthritis，OA) 的潛在風險(xian)。研究(jiu)表(biao)明，細(xi)胞(bao)微環(huan)境可影響細(xi)胞(bao)遷移、黏附、增殖和分化(hua)，通過(guo)生(sheng)物材料支架構(gou)建(jian)軟(ruan)骨微環(huan)境已成為有(you)效(xiao)促(cu)進(jin)軟(ruan)骨修(xiu)復和再(zai)生(sheng)的重(zhong)要(yao)手段(duan)。

由于(yu)具(ju)有較低的(de)(de)免(mian)疫反應、極(ji)高(gao)的(de)(de)吸水性(xing)、生(sheng)(sheng)物(wu)相容性(xing)和(he)可(ke)降(jiang)解性(xing)等物(wu)質結(jie)構和(he)生(sheng)(sheng)物(wu)化學上的(de)(de)仿生(sheng)(sheng)學特性(xing)，水凝(ning)膠被廣(guang)泛(fan)用來作為實(shi)現骨(gu)再生(sheng)(sheng)的(de)(de)仿生(sheng)(sheng)材料(liao)。研究發(fa)現，通過在甲(jia)殼(ke)素中引入單寧酸和(he)片(pian)層(ceng)(ceng)二維(wei)材料(liao)，取(qu)向制備平行排列甲(jia)殼(ke)素大分子(zi)鏈和(he)片(pian)層(ceng)(ceng)堆疊的(de)(de)甲(jia)殼(ke)素基各向異性(xing)水凝(ning)膠。實(shi)驗表明，該水凝(ning)膠不僅(jin)具(ju)有良好的(de)(de)生(sheng)(sheng)物(wu)相容性(xing)，而且可(ke)促進(jin)骨(gu)髓間(jian)充質干細(xi)胞(bao)在取(qu)向膜(mo)上延伸生(sheng)(sheng)長和(he)遷(qian)移(yi)，促進(jin)成骨(gu)分化和(he)骨(gu)缺損修(xiu)復。

水(shui)凝膠(jiao)由(you)于在(zai)一(yi)定(ding)條(tiao)件下可以保持一(yi)定(ding)的(de)(de)(de)形狀與體積，同時(shi)又具(ju)有(you)良好的(de)(de)(de)保水(shui)性(xing)和(he)血液(ye)(ye)相容性(xing)，可以成(cheng)(cheng)為培育組織細胞、實現原位再生的(de)(de)(de)重要(yao)基(ji)質材料。有(you)研究將血小(xiao)板(ban)膜溶液(ye)(ye)與一(yi)定(ding)比(bi)例已活化的(de)(de)(de)海(hai)藻酸鈉( Na-Alg) 溶液(ye)(ye)混合，隨后加入(ru)銀納米顆粒 ( Ag nanoparticle，Ag NPs )，放入(ru)-20 ℃冰(bing)箱(xiang)中(zhong)24 h，制(zhi)得血小(xiao)板(ban)仿生水(shui)凝膠(jiao)。此方法保證了(le)(le)水(shui)凝膠(jiao)中(zhong)不(bu)存在(zai)非天然官能(neng)團，提高了(le)(le)組織相容性(xing)和(he)血液(ye)(ye)相容性(xing)，極大地降低了(le)(le)免(mian)疫排斥(chi)的(de)(de)(de)可能(neng)，又具(ju)有(you)一(yi)定(ding)抗菌(jun)性(xing)能(neng)，可以減少抗生素的(de)(de)(de)濫(lan)用和(he)耐藥菌(jun)的(de)(de)(de)產生。同時(shi)可根據不(bu)同臨床(chuang)情況調(diao)整血小(xiao)板(ban)( PLT) 和(he) Na-Alg 的(de)(de)(de)比(bi)例，從而制(zhi)得機械(xie)強(qiang)度和(he)韌(ren)性(xing)可調(diao)的(de)(de)(de)水(shui)凝膠(jiao)。實驗結果(guo)表明，生物激發的(de)(de)(de) PLT 水(shui)凝膠(jiao)具(ju)有(you)高度的(de)(de)(de)柔韌(ren)性(xing)、舒(shu)適度、透氧性(xing)、保水(shui)性(xing)、血液(ye)(ye)相容性(xing)，有(you)助于急性(xing)組織損傷(shang)的(de)(de)(de)止血，防止細菌(jun)增生，促(cu)進傷(shang)口愈合過程中(zhong)血管生成(cheng)(cheng)、膠(jiao)原沉積和(he)肉芽(ya)組織的(de)(de)(de)形成(cheng)(cheng)，將極大節約經濟成(cheng)(cheng)本和(he)社會(hui)成(cheng)(cheng)本。

還(huan)有研究(jiu)將呋喃改性(xing)的(de)透(tou)明質酸( HA-furan) 與星形(xing)(xing)(xing)四臂馬(ma)來(lai)酰亞(ya)胺聚(ju)乙(yi)二(er)醇交(jiao)(jiao)聯，形(xing)(xing)(xing)成(cheng) HA水(shui)凝膠作為(wei)第一(yi)共(gong)價交(jiao)(jiao)聯網(wang)(wang)絡，然后在(zai)體系中引入Ca2+，使結冷膠( gellan gum，GG)交(jiao)(jiao)聯形(xing)(xing)(xing)成(cheng)第二(er)個物理交(jiao)(jiao)聯網(wang)(wang)絡。GG和(he)(he)(he)Ca2+之間的(de)離子鍵可(ke)以有效(xiao)提高雙網(wang)(wang)絡水(shui)凝膠( double network hydrogel，DN ) 的(de)力(li)學強度(du)、抗疲勞性(xing)能(neng)和(he)(he)(he)自恢復(fu)性(xing)能(neng)。此(ci)雙網(wang)(wang)絡水(shui)凝膠的(de)力(li)學性(xing)能(neng)可(ke)通過多(duo)糖的(de)分子量和(he)(he)(he)濃度(du)、HA-furan的(de)濃度(du)和(he)(he)(he)取代度(du)以及 Ca2 + 濃度(du)加以調(diao)控。體外研究(jiu)顯示(shi)，此(ci)水(shui)凝膠可(ke)促進軟(ruan)骨細(xi)胞增殖、支持軟(ruan)骨細(xi)胞外基質特異性(xing)硫酸化糖胺聚(ju)糖和(he)(he)(he)Ⅱ型(xing)膠原沉積，促進軟(ruan)骨組織的(de)形(xing)(xing)(xing)成(cheng)。

另(ling)有研究證(zheng)實了一(yi)種(zhong)促進脊髓損傷(shang)后軸突再(zai)生(sheng)和運(yun)動恢復的雙(shuang)功(gong)能水(shui)(shui)(shui)凝(ning)(ning)(ning)(ning)膠(jiao)(jiao)，該雙(shuang)功(gong)能水(shui)(shui)(shui)凝(ning)(ning)(ning)(ning)膠(jiao)(jiao)以咪唑-聚(有機(ji)磷腈) 和細胞外(wai)基質(zhi)成(cheng)分為交聯基質(zhi)，通過(guo)疏水(shui)(shui)(shui)作用與(yu)一(yi)種(zhong)降解生(sheng)長(chang)抑制因子的人(ren)類(lei)酶(mei)( arylsulfatase B，ARSB ) 形成(cheng)水(shui)(shui)(shui)凝(ning)(ning)(ning)(ning)膠(jiao)(jiao)復合(he)物(wu)注射入脊髓中(zhong)連接囊腔并形成(cheng)水(shui)(shui)(shui)凝(ning)(ning)(ning)(ning)膠(jiao)(jiao)仿(fang)生(sheng)細胞外(wai)基質(zhi)，該仿(fang)生(sheng)水(shui)(shui)(shui)凝(ning)(ning)(ning)(ning)膠(jiao)(jiao)可(ke)持(chi)續釋放ARSB，橋接組織缺陷的同時緩解纖(xian)維化微環境，促進血清素能軸突在水(shui)(shui)(shui)凝(ning)(ning)(ning)(ning)膠(jiao)(jiao)誘導基質(zhi)中(zhong)的生(sheng)長(chang)，增強腰椎(zhui)運(yun)動神經元的神經支配，促進脊髓再(zai)生(sheng)。

2.柔性傳感器

水凝(ning)膠(jiao)由于其(qi)高度可調控的(de)(de)吸(xi)水性和生物相容性， 在(zai)柔性傳感(gan)(gan)(gan)器(qi)領(ling)域(yu)具有廣泛的(de)(de)應用前景(jing)。柔性傳感(gan)(gan)(gan)器(qi)是指將(jiang)敏感(gan)(gan)(gan)材(cai)料集成在(zai)柔性基(ji)底(di)上(shang)的(de)(de)傳感(gan)(gan)(gan)器(qi)，其(qi)主要應用于人機(ji)交互、生物監(jian)測、柔性電(dian)子等領(ling)域(yu)。傳統柔性傳感(gan)(gan)(gan)器(qi)基(ji)底(di)材(cai)料普遍(bian)受(shou)到易吸(xi)濕、耐久性差、靈(ling)敏度低、抗干擾能力(li)弱(ruo)等因素的(de)(de)限制，而(er)水凝(ning)膠(jiao)及(ji)其(qi)復合材(cai)料所具有的(de)(de)高度可調控的(de)(de)吸(xi)水性和生物相容性使其(qi)成為解決這些問題的(de)(de)理想材(cai)料。

近年(nian)來(lai)，研究人(ren)員已經開始將(jiang)水(shui)凝膠應(ying)用(yong)于(yu)柔性(xing)(xing)(xing)傳感(gan)器的(de)設計中。有研究將(jiang)聚乙二醇二丙(bing)烯(xi)酸酯 ( polyethylene glycol diacrylate，PEGDA ) 和碳納(na)米管( carbon nanotubes，CNT) 引入純凝膠網絡，在增加交聯位(wei)點(dian)的(de)同(tong)時增強力學(xue)性(xing)(xing)(xing)能，隨后引入具(ju)有大量兒茶酚結構(gou)的(de)聚多巴胺( polydopamine，PDA) 預聚物，所制得復合材料具(ju)有優異的(de)濕組織粘附性(xing)(xing)(xing)和持久的(de)抗疲勞特性(xing)(xing)(xing)。此原位(wei)表(biao)皮水(shui)凝膠具(ju)有較(jiao)(jiao)高的(de)靈(ling)敏度、快(kuai)速響應(ying)性(xing)(xing)(xing)和長期(qi)耐久性(xing)(xing)(xing)，且具(ju)有較(jiao)(jiao)低的(de)電(dian)極阻抗，可用(yong)于(yu)動(dong)態監測人(ren)體運動(dong)和表(biao)面(mian)肌電(dian)圖( surface electromyography，sEMG) 等生物化學(xue)信號，進而(er)監測人(ren)體健(jian)康(kang)。

同時(shi)，通(tong)過(guo)改良(liang)水(shui)凝(ning)膠(jiao)基質的(de)(de)(de)材(cai)料，可(ke)以有(you)效(xiao)提升目標(biao)(biao)信(xin)(xin)(xin)號的(de)(de)(de)監(jian)測(ce)(ce)能力(li)。人(ren)體是一個極為(wei)復雜(za)的(de)(de)(de)系(xi)(xi)統，系(xi)(xi)統內(nei)部(bu)存在(zai)廣泛的(de)(de)(de)生理生化信(xin)(xin)(xin)號，在(zai)進(jin)行(xing)特定指標(biao)(biao)的(de)(de)(de)監(jian)測(ce)(ce)時(shi)不免(mian)會受到其他動(dong)態噪(zao)聲的(de)(de)(de)干擾(rao)，導致目標(biao)(biao)信(xin)(xin)(xin)號傳輸出(chu)現微弱、錯(cuo)誤和(he)延(yan)遲(chi)等問題。通(tong)過(guo)改變水(shui)凝(ning)膠(jiao)基質的(de)(de)(de)材(cai)料，可(ke)以突破人(ren)體動(dong)態噪(zao)聲所產生信(xin)(xin)(xin)號偽影的(de)(de)(de)限制(zhi)，避免(mian)帶通(tong)濾波器(qi)帶來的(de)(de)(de)信(xin)(xin)(xin)號缺失，有(you)效(xiao)提高信(xin)(xin)(xin)號監(jian)測(ce)(ce)的(de)(de)(de)信(xin)(xin)(xin)噪(zao)比。受蜘蛛黏彈性(xing)表皮(pi)墊可(ke)精準區分振(zhen)動(dong)信(xin)(xin)(xin)號和(he)機(ji)械噪(zao)聲的(de)(de)(de)啟發，有(you)研(yan)究開發出(chu)一種黏彈性(xing)明膠(jiao)-殼(ke)聚糖水(shui)凝(ning)膠(jiao)，在(zai)受到外(wai)部(bu)振(zhen)動(dong)刺激(ji)時(shi)，該(gai)(gai)水(shui)凝(ning)膠(jiao)內(nei)部(bu)的(de)(de)(de)交聯(lian)鍵(jian)進(jin)行(xing)解離重(zhong)排，從而(er)表現出(chu)高阻尼和(he)相變，實(shi)現選擇性(xing)頻(pin)率阻尼，且無論外(wai)部(bu)機(ji)械噪(zao)聲如(ru)何，該(gai)(gai)水(shui)凝(ning)膠(jiao)阻尼器(qi)均可(ke)及時(shi)追(zhui)蹤采集到清晰穩定的(de)(de)(de)生理信(xin)(xin)(xin)號。

3.藥物遞送

水(shui)(shui)凝(ning)(ning)膠(jiao)由(you)于其高(gao)度(du)可調(diao)控(kong)的(de)吸水(shui)(shui)性、高(gao)降解(jie)(jie)性和(he)優(you)異的(de)生物(wu)相(xiang)容(rong)性，進行(xing)藥(yao)(yao)物(wu)的(de)裝載可有效提(ti)(ti)升(sheng)藥(yao)(yao)物(wu)靶向能力(li)以及藥(yao)(yao)物(wu)利用度(du)。載藥(yao)(yao)水(shui)(shui)凝(ning)(ning)膠(jiao)可受(shou)人體(ti)生理環境條件(jian)如 pH 改變而激發，從而改變其收縮溶(rong)脹性能、降解(jie)(jie)和(he)滲透性能，因此在藥(yao)(yao)物(wu)遞(di)送(song)領域有較(jiao)大優(you)勢。有學者研發了(le)一(yi)種基(ji)于pH 敏感(gan)(gan)性抗菌水(shui)(shui)凝(ning)(ning)膠(jiao)的(de)藥(yao)(yao)物(wu)遞(di)送(song)系統(tong)，該研究(jiu)將海(hai)藻酸鈉(sodium alginate，SA)、檸檬酸( citric acid，CA)、萬古霉素( vancomycin，Van) 三者進行(xing)簡(jian)單交聯(lian)，SA和(he)CA通(tong)過 SA的(de)-OH與(yu)C=O 和(he)CA的(de)-COOH 基(ji)團(tuan)之(zhi)間的(de)氫鍵相(xiang)互作用交聯(lian)，而Van 則通(tong)過可逆的(de)亞(ya)胺鍵被加載到水(shui)(shui)凝(ning)(ning)膠(jiao)網絡體(ti)系中參(can)與(yu)交聯(lian)。如此制備pH 敏感(gan)(gan)性抗菌水(shui)(shui)凝(ning)(ning)膠(jiao)，研究(jiu)表明(ming)，Van 負載水(shui)(shui)凝(ning)(ning)膠(jiao)具有酸敏感(gan)(gan)特性，水(shui)(shui)凝(ning)(ning)膠(jiao)在酸性條件(jian)下進行(xing)分解(jie)(jie)釋放藥(yao)(yao)物(wu)具有零階動力(li)學，提(ti)(ti)高(gao)了(le)細胞相(xiang)容(rong)性和(he)生物(wu)利用度(du)。

mRNA疫(yi)苗為(wei)晚期癌(ai)癥(zheng)免疫(yi)治療(liao)的(de)新(xin)策(ce)略，為(wei)保(bao)護mRNA 不被降解(jie)并遞送至靶細胞，脂質納米顆粒( lipid nanoparticles，LNP) 被廣泛(fan)用作病毒載(zai)體，然而載(zai)有mRNA的(de)LNP穩定性(xing)(xing)極大限(xian)制其應(ying)用。而采用水凝膠(jiao)包(bao)裹 mRLNP 的(de)方(fang)法，可通過水凝膠(jiao)不同(tong)生理條件下的(de)狀(zhuang)態轉變來(lai)控制 mRLNP的(de)釋放，提高穩定性(xing)(xing)的(de)同(tong)時實現持久有效(xiao)的(de)癌(ai)癥(zheng)免疫(yi)治療(liao)。

傳(chuan)統的(de)(de)(de)敷(fu)(fu)(fu)料(liao)(liao)雖然對(dui)創(chuang)面有(you)保護作用，但(dan)在透(tou)水(shui)透(tou)氣、阻止(zhi)細菌進入(ru)、生(sheng)物相容性(xing)(xing)等方面不能滿(man)足(zu)當前對(dui)醫用敷(fu)(fu)(fu)料(liao)(liao)性(xing)(xing)能的(de)(de)(de)要求(qiu)。隨著對(dui)水(shui)凝(ning)(ning)膠敷(fu)(fu)(fu)料(liao)(liao)研究的(de)(de)(de)逐漸深入(ru)，研究者發現(xian)水(shui)凝(ning)(ning)膠敷(fu)(fu)(fu)料(liao)(liao)具有(you)可調節的(de)(de)(de)物理和化(hua)學性(xing)(xing)能、可功能化(hua)、具有(you)與細胞外基(ji)質類(lei)似的(de)(de)(de)結(jie)構特點(dian)，并(bing)且(qie)通(tong)過(guo)改(gai)變(bian)原料(liao)(liao)、改(gai)進制備方法，可以(yi)制備出多種(zhong)功能復合的(de)(de)(de)新(xin)(xin)型(xing)水(shui)凝(ning)(ning)膠敷(fu)(fu)(fu)料(liao)(liao)。因此，水(shui)凝(ning)(ning)膠敷(fu)(fu)(fu)料(liao)(liao)作為(wei)一種(zhong)新(xin)(xin)型(xing)生(sheng)物醫用敷(fu)(fu)(fu)料(liao)(liao)具有(you)廣闊的(de)(de)(de)應用前景。

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