医学研究始于对真实世界的观照，但它却多多少少绕不开对各类科学幻想的回应。

无数人心目中的神剧TOP之一《西部世界》（Westworld），讲述的是「人造人」的故事。抛除自我意识、权力斗争及科技伦理，有多少人被开场的「3D打印式长大成人」震撼到无法呼吸。那一刻，如诗如梦，既科幻又真实。

▲图1 豆瓣：第一季评分8.9，二三季均在8分以上的高水准

所以，科学地说，人体的骨骼血肉，可以这样吗？水凝胶或许是答案之一。

继上一期水凝胶介绍第1话推出后，已经有小伙伴迫不及待催更了。接下来，我们一起看看水凝胶在医用敷料和组织工程这两大场景中具体应用。

应用场景一
医用敷料

▲ 图2 水凝胶的临床应用概况[1]

医用敷料是用以覆盖疮、伤口或其他损害的医用材料。慢性创口的愈合问题在临床环境中面临着重大挑战。持续出血、缺氧和营养物质、炎症调节紊乱、细胞增殖受阻、组织重塑障碍是其主要特征（如图3A），如糖尿病溃疡、动脉/静脉溃疡、压疮等。

伤口的复杂性导致缺乏足够的治疗材料，水凝胶以其良好的生物相容性和生物降解性以及独特的负载能力引起研究者们的广泛关注。通过“湿性疗法”，可适当保留创口渗出液内的活性物质，加强细胞代谢从而促进伤口快速愈合，能够有效避免因伤口黏连而造成的二次伤害。

早期的水凝胶敷料，结构较为简单，功能也比较单一，因其优异的保水能力往往被作为止血材料使用。但是，它的缺点也很明显：极易滋生细菌且对于伤口愈合无任何促进功效。

后来的科学发现，通过以抗菌高分子材料为基材或将抗菌剂（Ag+、抗生素等）、治疗性药物（如生长因子、酶、外泌体等）包裹在水凝胶中，可以实现药物的定向输送。这不仅保留了凝胶敷料的止血功能，也在一定程度上具有抑制细菌生长、促进伤口愈合的效果。但是，这个方法也还是存在一些问题，比如给药过程较为“古板”，过度给药和治疗效果较差等。

随着技术的进步，科研人员对人体发病机制和创口微环境（如温度、pH、酶、活性因子、信号通路等）的研究不断深入，一些兼顾响应和调节的功能水凝胶材料成为研究的焦点（如图3B），如温敏水凝胶、pH响应水凝胶、酶响应型水凝胶等。

图3 伤口愈合的四个阶段：止血、炎症、增殖、重塑（A）[2]和水凝胶基免疫治疗策略（B）[3]

应用场景二
组织工程

组织工程是一门以细胞生物学和材料科学相结合，进行体外或体内构建组织或器官的新兴学科。

最新研究进展主要包括真皮组织修复、肌肉组织修复、骨组织修复和心脏组织修复等。近年来，将生物材料与干细胞相结合的组织工程技术，即利用先进的生物材料维持细胞活力、增殖和分化的联合疗法，受到了广泛关注。

干细胞通过创口敷料载入创面部位或注入损伤组织，使干细胞能够较长时间存活，不断分泌有利于组织恢复的生长因子，并且干细胞能够转化成组织修复细胞，促进血管增生，调节免疫反应。

同时水凝胶基质为活细胞提供各种化学和物理刺激来调节细胞行为（如图4 AB）。

图4水凝胶的化学组成（A）和结构（B）对细胞动力学的影响以及细胞分泌物对凝胶结构、性能的影响（C）[4]

研究发现，干细胞的分化与其基质的硬度密切相关，如人骨髓间充质干细胞（hMSCs）在0.1~1 kPa的软凝胶（模拟大脑弹性）上培养，呈现出富含大量丝状伪足形态；在8~17 kPa的刚性基质（模拟横纹肌弹性）上观察到纺锤状形态；而在较硬的基质（25~40 kPa）上，则发现干细胞分化成类似于成骨细胞的多边形态。相反，活细胞也具有多种功能（如释放酶等分泌物），可以改变水凝胶的结构和功能特性，如水凝胶的成型、修复、强化和降解等（如图4C）。

科技发展到今天，有关水凝胶疫苗、癌症免疫治疗、生命信号监测等各项前沿研究，正在吸引着各大媒体的关注目光。这也将继续推动着生物医学领域面向未来的进一步求索与发现。同时，研究者们还在探索通过水凝胶覆盖方式改善不同医疗植入物和设备的生物相容性，相信随着这些凝胶涂层功能的多样化发展，必将为下一代生物传感器的研究带来巨大的助力。

参考文献：

[1] Gao Y, Peng K, Mitragotri S. Covalently Crosslinked Hydrogels via Step-Growth Reactions: Crosslinking Chemistries, Polymers, and Clinical Impact [J]. Advanced Materials, 2021, 2006362.

[2] Bryan K S, Zurab S, Paul A K. Advances in skin grafting and treatment of cutaneous wounds [J]. Science, 2014, 346(6212), 941.

[3] Kharaziha M, Baidya A, Annabi N. Rational Design of Immunomodulatory Hydrogels for Chronic Wound Healing [J]. Advanced Materials, 2021, 2100176.

[4] Liu X, Inda M E; Lai Y, et al. Engineered Living Hydrogels [J]. Advanced Materials, 2022, e2201326.