梳理：从Nature看水凝胶材料的最新成果

引言

水凝胶是一种网状结构的亲水性聚合物材料。亲水性聚合物链通过交联而形成三维固体，水则充当分散介质。水凝胶材料具有极高的吸水性，其材料质地通常很软且不够强壮。但是通过定向设计，水凝胶材料可以变的很有韧性。除此之外，水凝胶材料具有极好的生物兼容性和离子传送能力，从而使之有被广泛运用于仿生材料和人造组织等医学领域的潜力。在这篇文章中，我们通过回顾近期发表在Nature及其子刊上的研究成果，总结了水凝胶材料最新研究成就和当前研究方向，为正在此研究方向或有志从事此研究方向的学者们提供参考。

1. 具有抗菌和血管生成特性的可注射自我修复水凝胶

该功能性水凝胶旨在应对糖尿病患者的伤口再生问题。临床研究表明，糖尿病可导致肌腱，骨骼和关节慢性溃烂且无法治愈。迄今为止，糖尿病引起的患者下肢截肢案例已超过2000万起，于此同时，每年需要截肢的患者数量将翻一番。而这一系列糖尿病并发症的原因在于血管形成受损，尤其是微脉管形成受损，这对于氧气输送和伤口愈合至关重要。缺少足够的毛细血管，患者伤口部位会积累大量的葡萄糖，从而导致组织坏死。因此，在愈合早期，重建毛细血管网络对于防止患者伤口扩张和溃烂的形成有着至关重要的意义。上海交通大学医学院附属瑞金医院邓廉夫团队研究设计了一种具有抗菌和血管生成特性的可注射，自我修复的协调性水凝胶材料。该材料可用于糖尿病伤口的再生。实验团队通过多臂硫醇化聚乙二醇（SH-PEG）与硝酸银的配位交联制备水凝胶。由于Ag-S配位键的动态性质和Ag离子的杀菌作用，所得的配位水凝胶材料具有自我修复，可注射和抗菌特性。除此之外，实验团队还在水凝胶材料中加载了血管生成药物去铁胺（DFO），得到了一种多功能，易处理，抗菌且具有血管生成能力的水凝胶材料。实验结果显示，添加药物的功能性水凝胶可以通过0.5 mm针头完成注射，具有有效的抗菌能力且拥有较好的生物相容性。在体外实验中，材料展现出了优秀的灵活性，抗菌能力和对外界物理刺激的阻止能力；在动物实验中，团队验证了该材料对血管再生的促进作用和抗菌能力。这一成果不仅为糖尿病引发的伤口愈合问题提供了解决办法，也为其他类型的伤口愈合，尤其是暴露于细菌环境下的伤口，提供了解决思路。

图1

a) 自愈性含银硫醇配位水凝胶合成示意图；b) 注入血管生成药物获得可自我修复，可注射，抗菌，多功能水凝胶；c) I型糖尿病足溃疡（左）和水凝胶治疗后效果（右）; d) 水凝胶修复作用机制示意图。^[1]

2. 具有强粘性的止血水凝胶

不可控出血是重大创伤和外科手术过程中经常遇到的问题。不可控出血是目前全球死亡率高的一个主要原因。其中，修复主动脉破裂和心脏穿透伤口引起的心脏出血是外科手术的难点。目前常用的止血剂对于湿环境和运动组织的粘附力较弱，很难控制创伤性动脉和心脏伤口的出血。外科手术缝合是当前唯一用于主动脉破裂和心脏伤口密封的临床方法。然而，这在大多数医院环境外和紧急情况下都不可行。随着材料科技的发展，科学家们研究出了许多快速伤口密封材料，如纤维蛋白胶，明胶，氧化纤维素，肽等。然而，由于这些材料在湿组织表面粘附性差，粘结机制较弱，这些材料并不适用于主动脉和心脏外伤止血。用于动脉及心脏组织处的快速密封性材料需要在连续流动的情况下快速粘合，在湿组织壁和表面之间具有强粘合力，拥有可以承受血压的高机械强度以及生物相容性。最近，浙江大学医学院二附院欧阳宏伟教授和他的团队设计了一种仿生组织水凝胶粘合剂材料。这种材料可以在几秒内聚合并粘附。在紫外线光激活后牢固地粘合到湿生物组织表面。该材料的设计受到生物结缔组织的细胞外基质的启发。实验小组设计的水凝胶生物粘合剂由5%的甲基丙烯酸明胶(GelMA)，1.25%的N-(2aminoethyl)−4-(4-(hydroxymethyl)−2-methoxy-5-nitrosophenoxy) butanamide (NB)连接糖胺聚糖透明质酸（HA-NB）和0.1%的聚合引发剂苯基-2,4,6-三甲基苯甲酰基次膦酸锂（LAP）。将甲基丙烯酸明胶(GelMA)引入水凝胶可保持其湿伤口密封的能力，并大幅度加速聚合，避免了未聚合的材料在形成键合凝胶之前被血流冲走，从而大大提高了这种伤口密封水凝胶的临床实用性。实验结果显示，由该材料修复的血管可以承受高达290 mmHg的血压，高于大多数临床情况下的血压（收缩压BP 60-160 mmHg）。除此之外，动物实验显示，该水凝胶可以20s内阻止4~5 mm长切口伤口的猪颈动脉和直径为6 mm的心脏穿透孔的猪心脏高压出血且不使用缝合线。用该水凝胶进行止血治疗后的猪成功存活了下来。这种不需要缝合即可实现快速止血和密封的材料，有望被运用于外科手术和紧急止血。

图2 材料成分和结构示意图及光诱导合成材料流程示意图。 ^[2]

3. 具有各向异性响应驱动能力的自修复水凝胶

许多活体生物体内，大多数组织具有从分子水平到宏观水平的各向异性形态，结构和反应。例如，紧密平行排布结构的胶原纤维使肌肉具有显著的一维方向上的收缩力。由于具有良好的生物相容性和生物系统的相似性，水凝胶被广泛用作人造器官或者组织工程的聚合物支架。然而，大多数水凝胶通常表现出各向同性结构，从而导致在接受外界刺激时发生非定向形变。受到智能生物组织的启发，中国科技大学从怀萍教授和她的团队设计了一种由高度有序的层状网络结构组成的，以金属钠米结构为装配结构的各向异性水凝胶材料（材料结构可见于图3）。实验团队提出使用金纳米颗粒的动态硫醇盐（RS-Au）配位作为水凝胶的交联连接方式。这种方式可以实现当材料内部发生较大形变时，引起的缺口区域得以自我修复。由于动态RS-Ag相互作用的存在，该水凝胶材料显示出由NIR激光和酸性条件诱导的快速有效的多响应自我修复功能。有趣的是，一些复杂的驱动行为，例如使用机械臂抬起和抓取动作，可以通过诱导愈合具有不同结构的水凝胶碎片来实现（驱动过程可见图4），从而实现具有运用价值的软体驱动器。实验结果显示，该材料在机械，光学，膨胀和消胀行为上的各向异性。其平行方向模量是垂直方向模量的3.9倍。该各向异性水凝胶材料在未来研究和开发智能机器人等高级软体驱动器有着巨大的潜力。

图3 合成SNPP水凝胶材料的图像示意图。

a Ag@BACA 微粒与RS-Ag配位键相连；b 当BACA分子吸附到微粒上后，S-S键断开，在紫外线光的照射下，BACA分子重新排布，并在聚合反应和疏水作用下于水凝胶上生成Ag/PAM层；c 通过PAM材料链式结构的生长和紫外线光的照射作用，各向异性的水凝胶被准备完成；d 所制得材料在收到外界溶剂环境变化时引起的定向形变行为。^[3]

图4 该水凝胶成果在软体驱动器上运用原理示意图。

实验团队设计的水凝胶在受到外界溶剂环境刺激时会向垂直于层状结构的方向弯曲（a - d）。实现团队利用这一特性，将材料碎片按照不同结构方向整合安装（e和i），使集成结构有定向弯曲形变的能力，从而实现软体机械臂的抓取行为。^[3]

4. 可用于骨组织工程的多孔水凝胶

目前，尽管科学家们已经探索出了利用组织工程学生产天然材料和合成材料。但是纯化天然材料的复杂性，机械特性和免疫原性严重限制了这类材料的运用。这一列原因使得引导干细胞促进骨组织再生颇具挑战。受到医疗器械领域生物材料的发展，科学家们注意到了粘土和粘土矿物作为新兴生物材料用于骨组织再生的潜力。蒙脱土（MMT）是膨润土的主要组成部分。近年来，这种特殊粘土矿物的生物相容性，可用性和可行性引起了很大的关注。一些报告指出，可以通过天然生物材料（如明胶，胶原蛋白，蚕丝）中引入MMT来制造支架，改善细胞支架的相互作用，增殖和分化。但尽管这些材料具有多孔结构，但其制备生产过程（真空，低温）无法适用于组织工程学中。

美国加州洛杉矶大学的Min Lee教授和他的团队注意到源自天然产物的水凝胶材料为解决骨组织成长提供了一种潜在可行的解决方法。与需要预先在严苛环境下成型的硬质支架相比，软质水凝胶是可注射的，而且可以以最小的方式填充任何不规则形状的缺陷。在研究中，他们通过引入具有插层化学作用的二维纳米粘土颗粒，成功地纳米工程化了互连的微孔网络化可光交联的壳聚糖在原位形成水凝胶。纳米硅酸盐的存在增加了杨氏模量并阻止了所得水凝胶的降解速率。实验结果证明增强的水凝胶促进了增殖作用，并诱导体外封装的间充质干细胞的分化。在小鼠活体实验中，实验小队用临界大小的小鼠颅盖缺损模型探究了纳米工程水凝胶在体内的作用。实验结果证实，壳聚糖-蒙脱石水凝胶能够附着天然细胞并促进颅盖愈合。这一实验成果证明了该材料在组织工程学领域的运用潜力。

图5 内部连接的微孔状结构SEM图像。图像对应不同比重MMT材料下的微观结构图。^[4]

5. 可适用于大脑表面的水凝胶有机硬膜下电极

神经生理学检测已广泛用于诊断和治疗神经系统疾病，例如癫痫和慢性疼痛。在需要手术切除癫痫或脑肿瘤的神经外科手术之前和期间，通过监视或映射脑功能来识别病理性病变非常重要。皮层脑电图（ECoG）或颅内脑电图（iEEG）是一种通过硬膜下电极进行的神经生理学检测。硬脑膜下电极位于大脑皮层表面，因此在空间分辨率和信号质量上优于头皮脑电图（EEG）。此时，高信噪比和低伪影在监视或映射大脑功能中尤为重要。因此，硬膜下电极比头皮电极在手术前的监测中更有用，也更有望最大程度保护脑功能。尽管ECoG优于EEG，但是由于ECoG-fMRI中使用的金属电极会感应射频，因此到目前为止，它尚未被广泛运用于临床领域。另外，MRI引起的颅内金属电极的感应加热是帕金森病长期深层脑刺激（DBS）的缺点。除了加热问题以外，电极与皮质之间的接触也是一个具有挑战性的问题。皮质与由金属制成的常规ECoG电极之间的松动接触会导致信号不准确和潜在的误诊。虽然已经有团队研究出基于塑料薄膜的超薄电极用于改进接触问题，但是塑料薄膜存在操作难度大和无法渗透体液进而导致阻碍了组织液循环的缺点。最近，日本东北大学的Matsuhiko nishizawa教授和他的团队开发了一种有机ECoG电极材料。该电极由水凝胶基质和带图案的可拉伸碳纤维材料组成（CF）。与金属电极相比，该材料具有较低的磁化率和电阻率，因此它降低了MRI期间产生图像伪影和发热的风险。通过PEDOT进行了改进后，材料在工作频率上具有了更好的阻抗特性。该团队设计开发的水凝胶为基础的新材料具有几大优势：与活组织拥有相似的机械性能，易于操作，对大脑表面的粘附性更好以及对体液具有渗透性。PEDOT-CF/hydrogel硬膜下电极能够以高空间分辨率监控ECoG，为获取清晰的MRI图像和准确的信号提供了一种解决方案。

图6 有机水凝胶硬膜下电极设计示意图及其优点。 ^[5]

参考文献

1. Chen, H., Cheng, R., Zhao, X., Zhang, Y., Tam, A., & Yan, Y. et al. (2019). An injectable self-healing coordinative hydrogel with antibacterial and angiogenic properties for diabetic skin wound repair. NPG Asia Materials, 11(1). doi: 10.1038/s41427-018-0103-9
2. Hong, Y., Zhou, F., Hua, Y., Zhang, X., Ni, C., & Pan, D. et al. (2019). A strongly adhesive hemostatic hydrogel for the repair of arterial and heart bleeds. Nature Communications, 10(1). doi: 10.1038/s41467-019-10004-7
3. Qin, H., Zhang, T., Li, N., Cong, H., & Yu, S. (2019). Anisotropic and self-healing hydrogels with multi-responsive actuating capability. Nature Communications, 10(1). doi: 10.1038/s41467-019-10243-8
4. Cui, Z., Kim, S., Baljon, J., Wu, B., Aghaloo, T., & Lee, M. (2019). Microporous methacrylated glycol chitosan-montmorillonite nanocomposite hydrogel for bone tissue engineering. Nature Communications, 10(1). doi: 10.1038/s41467-019-11511-3
5. Oribe, S., Yoshida, S., Kusama, S., Osawa, S., Nakagawa, A., & Iwasaki, M. et al. (2019). Hydrogel-Based Organic Subdural Electrode with High Conformability to Brain Surface. Scientific Reports, 9(1). doi: 10.1038/s41598-019-49772-z

本文由元同学供稿。

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