医学昌明的今天，各种新型医用材料层出不穷，代表着科技前沿，闪耀着人类智慧。水凝胶就是其中的佼佼者。作为生物医药领域的当红小生，它以出众的实力和广阔的前景，成功吸引了各界的关注，赢得了热度与流量。今天就跟大家聊聊有关水凝胶的那些事。

水凝胶是什么

水凝胶的组成包括DNA、多肽、多糖等天然材料以及聚丙烯酰胺、聚乙二醇、聚乙烯醇等合成材料。科学地说，水凝胶是一类由分散在水介质中的聚合物链通过多种机制（包括物理纠缠、离子作用和化学交联等）形成的三维交联网络结构材料。

它能够在水中迅速溶胀并在此状态下保持大量体积的水而不溶解。换言之，它拥有在生理条件下类似于活体软组织的保水或生物液体的能力。

流量密码

不可阻挡的进击

在过去近60年的相关研究中，水凝胶类期刊的发行量呈现爆炸式增长，从1982年仅1,000多篇到2020年数量高达100,000以上[1]。从实际应用层面来看，目前已有大量的水凝胶产品获得了美国食品药品监督管理局（FDA）等监管机构的批准。

流量背后，水凝胶缘何备受推崇？

图1：超分子水凝胶的设计及其在生物医用领域的应用[2]

实际上，医学界已经看到了水凝胶的巨大生物应用潜力。目前，水凝胶在生物医药领域的应用主要包括伤口愈合、软组织填充、组织粘合剂和密封剂以及软性隐形眼镜等（如图1）。随着生物医药领域的不断发展,也已经涌现出诸多新型水凝胶治疗策略，如细胞/免疫疗法和再生疗法，以及向个性化医学的转变。这意味着在不久的将来，对先进水凝胶生物材料的临床需求会不断增加。

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优化路径

力学性能与可注射性

水凝胶的理化性能在一定程度上取决于分子层面的设计，目前根据其成型方式大体可分为物理凝胶（如图2A-D）和化学凝胶（如图2E）两种。

图2常规高分子凝胶网络结构[3]

物理凝胶——

物理凝胶主要通过氢键、范德华力、静电作用、疏水作用等“弱相互作用”形成，常依赖于聚合物的固有性质，不需要修改聚合物链，凝胶化较为容易实现。

凝胶分子先自组装成一维结构，随后聚集体间相互纠缠共同构建出三维网络结构，多种作用共同维持非共价键体系的平衡，而且在必要时部分凝胶很容易实现动态可逆转化。

基于天然蛋白质的自组装机制，仿生超分子已被设计出可以遵循类似的多级次自组装策略，这对深入理解和准确模拟生物功能和生物过程都具有重要的意义，同时也为构建先进功能材料提供了可靠的途径。

化学凝胶——

相较于物理凝胶法，化学交联法则允许以空间和动态角度对交联过程进行更可控、更精确的管理。

在溶液中，聚合物分子主链或侧链上的活性基团在适当条件下可以形成共价键，因此化学凝胶的结构与性能更加稳定、可控（如图2E）。

目前传统交联方式有缩合反应、自由基聚合、高能辐射和酶促反应等。其中光的广泛应用对现代医学产生了深远的影响，特别是基于光的光热疗法（PTT）和光动力疗法（PDT）在预防伤口感染和促进伤口愈合方面显示出巨大的应用前景。此外，希夫碱反应、迈克尔加成反应、点击化学等也广泛应用于水凝胶的制备。

成型方式
物理凝胶与化学凝胶

尽管每种凝胶方法都有其优点和局限性，但该领域一直朝着多组分/机制方向发展以实现水凝胶的功能化（如图3B），满足其在生物医药领域的应用，例如显著增强凝胶的力学性能、可注射性等。

图3非常规高分子网络结构（A）及

高分子链间作用机制（B）[4]

水凝胶力学性能的提高主要依赖于非常规高分子网络的设计，通过其独特的网络结构和高分子链间的相互作用实现水凝胶复合性能的正交设计和协同实现。常见的非常规高分子网络结构主要分为七大类：理想高分子网络、互穿高分子网络、半互穿高分子网络、含有滑移交联点的高分子网络、具有多官能交联剂的高分子网络、纳米/微米纤维高分子网络以及瓶刷状高分子网络（如图3A）。此外，还可通过添加纳米粒子、纤维等方式实现水凝胶的增强增韧。

可注射水凝胶是指具有一定流动性的、能够通过注射方法应用的一类水凝胶。可注射水凝胶对于外界刺激（温度，pH等）呈现出溶胶与凝胶间的相互转变。而且，与传统的水凝胶相比，可注射水凝胶具有微创应用的优势。这不仅扩大了其在生物医用领域的应用范围，而且提高了患者的舒适满意度，在一定程度上还降低了应用成本。

水凝胶在生物医药领域呈现出极大的包容性和适应性，其应用场景也十分广泛。下期我们将聚焦水凝胶在医用敷料和组织工程这两大场景中的具体应用，继续为大家展开分享。欢迎关注创化科技服务！

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参考文献：

[1] 数据来自PubMed

[2]Zhao Y, Song S, Ren X, et al. Supramolecular Adhesive Hydrogels for Tissue Engineering Applications [J]. Chemical Reviews, 2022, 122: 5604-5640.

[3] Zhang Y S, Khademhosseini A. Advances in engineering hydrogels [J]. Science, 2017, 356(6337): eaaf3627.

[4] Zhao X, Chen X, Yuk H, et al. Soft Materials by Design: Unconventional Polymer Networks Give Extreme Properties [J]. Chemical Reviews, 2021, 121(8): 4309-4372.