一年发表上万篇的老牌“明星” 大牛团队在水凝胶领域的近期优秀成果展示

作为一个经典领域，水凝胶（Hydrogel）具有高生物安全性等优异性能，从报道以来就被广泛研究。如今，每年基本都有成千上万的相关文章被发表。其实，水凝胶（Hydrogel）是以水为分散介质的凝胶。具有网状交联结构的水溶性高分子中引入一部分疏水基团和亲水残基，亲水残基与水分子结合，将水分子连接在网状内部，而疏水残基遇水膨胀的交联聚合物。是一种高分子网络体系，性质柔软，能保持一定的形状，能吸收大量的水。根据不同的分类方法，水凝胶被分成不同的类型。例如根据水凝胶网络键合的不同，可分为物理凝胶和化学凝胶：物理凝胶是通过物理作用力如静电作用、氢键、链的缠绕等形成的，是非永久性的，通过加热凝胶可转变为溶液，被称为假凝胶或热可逆凝胶；而化学凝胶是由化学键交联形成的三维网络聚合物，是永久性的，又称为真凝胶。

图1、研究方向

通过Web of Science（SCI）检索水凝胶研究方向的发文情况。如图1所示，其主要研究方向是化学和材料科学领域，其中化学领域已超过26000篇。同时，还检索了水凝胶的出版年情况。如图2所示，在2017年是8293篇，在2018-2020年都是接近或已超过每年10000篇。而在2021年也已显示发表了3000多篇，以此速度，2021年超过10000篇也不是难事！因此，本次选择了大牛团队近期在优质期刊上发表的有关于水凝胶的文章，供大家了解及学习!

图2、出版年份

1、Nat. Nanotechnol.：由四面体类单体组成的高度均质的聚合物，用于高各向同性膨胀显微镜

膨胀显微镜（ExM）在物理上放大了生物标本，从而可以使用常规显微镜进行纳米级分辨率的成像。目前的ExM方法是通过自由基链生长聚合聚丙烯酸酯水凝胶渗透样品，其网络结构限制了局部膨胀的向同性以及在纳米尺度上保持形态和形状。基于此，麻省理工学院（MIT）Edward S. Boyden等人报道了一种ExM，其使用的水凝胶具有更均匀的网络结构，通过四面体单体的非自由基末端连接组装而成。不同于早期形式的ExM，这种四凝胶嵌入式标本可以反复膨胀以获得更大的物理放大倍数。在线性尺寸上，反复四凝胶法将单纯疱疹病毒1型（HSV-1）病毒粒子扩增约10倍，导致病毒包膜层定位的中位空间误差为9.2 nm，而不是早期ExM的14.3 nm。此外，以四凝胶为基础的膨胀更好地保持病毒粒子的球形形状。因此，四凝胶可以在减少空间误差和改善局部各向同性的情况下支持ExM，为单一生物分子精确度的ExM指明了方向。

文章信息：

A highly homogeneous polymer composed of tetrahedron-like monomers for high-isotropy expansion microscopy. Nat. Nanotechnol., 2021, DOI: 10.1038/s41565-021-00875-7.

https://doi.org/10.1038/s41565-021-00875-7

2、Nat. Biomed. Eng.：利用双网络水凝胶快速重编程肿瘤细胞成为癌症干细胞

癌症复发可能是由于罕见的循环癌干细胞（CSCs）对化疗和放射治疗产生耐药性。基于此，日本北海道大学Shinya Tanaka和龚剑萍教授等人报道了一种双网络水凝胶可以快速地将分化的癌细胞重编程为CSCs。表达高水平干细胞基因Sox2、Oct3/4和Nanog的球体在接种6种人类肿瘤细胞系的细胞或胶质母细胞瘤患者切除的脑癌细胞后24 h内形成。在双网络水凝胶上培养的人脑癌细胞和在免疫缺陷小鼠中的颅内注射导致比在单网络凝胶上培养的脑癌细胞具有更高的致瘤性。作者还发现双网凝胶诱导酪氨酸激酶的磷酸化，凝胶诱导的原发性脑癌细胞中的CSCs被血小板源性生长因子受体的抑制剂清除，钙通道受体和骨桥蛋白在凝胶介导的肿瘤诱导中起着重要的调节作用脑癌细胞的干细胞。

文章信息：

Rapid reprogramming of tumour cells into cancer stem cells on double-network hydrogels. Nat. Biomed. Eng., 2021, DOI: 10.1038/s41551-021-00692-2.

https://doi.org/10.1038/s41551-021-00692-2.

3、Nat. Chem. Bio.：海藻酸/聚丙烯酰胺基核-壳水凝胶用于细菌微生物的强力封装

近年来，转基因微生物（GMMs）被广泛应用于环境传感和响应性工程生物材料等领域。然而，控制GMMs以防止环境逃逸并满足监管要求是实际应用中的一个瓶颈。虽然当前的生化策略限制了GMMs在环境中不必要的增长，但是需要部署物理遏制技术来实现冗余、多层和稳定的遏制。基于此，麻省理工学院（MIT）赵选贺教授和卢冠达教授等人报道了一种基于水凝胶的封装系统。其包含了一个生物相容性的多层硬壳和一个基于海藻酸钠的核，结合了弹性聚合物网络（聚丙烯酰胺）和能量耗散网络（藻酸盐，通过聚合物之间离子交联的解链），而这种外壳材料非常坚韧，不易断裂，能保持对小分子的渗透性。这种可部署的物理遏制策略（DEPCOS）使GMM无法逃逸，细菌可以受到保护，免受环境污染，包括抗生素和低pH值，可控的寿命和易于检索的基因组编码细菌。为了突出DEPCOS的多功能性，作者证明了牢固包裹的细胞可以执行有用的功能，包括与其他包裹的细菌进行细胞-细胞相互作用和检测查尔斯河水样中的重金属。

文章信息：

Hydrogel-based biocontainment of bacteria for continuous sensing and computation. Nat. Chem. Bio., 2021, DOI: 10.1038/s41589-021-00779-6.

https://doi.org/10.1038/s41589-021-00779-6.

4、Adv. Mater.：水凝胶贴片用于治疗多药耐药性三阴性乳腺癌

肿瘤反复暴露于化疗药物后，肿瘤起始细胞（T-ICs）的诱导扩增是导致肿瘤耐药和转移的主要原因。基于此，上海交通大学宋海云研究员、樊春海院士和上海师范大学陈楠教授等人报道了一种对肿瘤微环境响应的水凝胶贴片，用来调节对激素和HER2靶向不敏感的三阴性乳腺癌（TNBC）中T-ICs的可塑性。原位形成的水凝胶网络可以在耐化学性TNBC小鼠模型中修补肿瘤，并且感知肿瘤内活性氧物种以发生连接体断裂和释放有效载荷。该贴片也能够抑制组蛋白去甲基酶赖氨酸特异性去甲基酶1（LSD1）表观遗传学，将T-ICs自我更新调控到分化状态，从而恢复其化疗敏感性。此外，水凝胶贴片通过先天免疫的表观遗传激活增强肿瘤免疫原性，并增加T细胞浸润。研究表明，单剂量含有LSD1抑制剂和化疗药物的水凝胶贴片可以有效的抑制肿瘤生长、术后复发和转移，从而证明了这种表观遗传重塑型水凝胶贴剂对耐药性肿瘤具有很好的疗效，进一步揭示其广泛的适用性。

参考文献：

Epigenetic Remodeling Hydrogel Patches for Multidrug-Resistant Triple-Negative Breast Cancer. Adv. Mater., 2021, DOI: 10.1002/adma.202100949.

https://doi.org/10.1002/adma.202100949.

5、Adv. Mater.：可调节的类海绵的分层多孔水凝胶具有高扩散性和力学性能

交联聚合物和凝胶在软机器人、太阳能蒸汽发电、能量储存、药物输送生物传感等领域有着重要的应用。然而，它们的质量传输和体积变化能力受到扩散限制，需要小型化以避免缓慢响应。其中，改善水凝胶扩散的传统方法是通过增加孔隙率来降低力学性能，或者通过定向排列孔隙率来限制总体积通量。但是，同时提高扩散性和力学性能仍然是阻碍水凝胶实际应用的挑战。基于此，加州大学洛杉矶分校（UCLA）贺曦敏教授等人报道了一种共溶剂型光聚合用来克服这种膨胀的力学性能平衡的通用方法。合成后的聚（N-异丙基丙烯酰胺）水凝胶作为一个示范系统，呈现出独特的具有连续微通道的开放多孔网络，出现破记录的高体积膨胀速度，几乎比已报道的高一个数量级。对比在纯溶剂中制备的常规水凝胶，这种溶胀增强伴随着同时提高杨氏模量和韧性。所产生的快速质量传输能够通过快速补水和超快驱动使水凝胶在空气中运行。同时，该方法与3D打印兼容。通过将该技术推广到聚（N-叔丁基丙烯酰胺-共聚丙烯酰胺）和聚丙烯酰胺水凝胶这两种非温度响应性聚合物体系，证明了其通用性，验证了目前的假设，即共溶解度是一种由竞争吸附驱动的普遍现象。

文章信息：

Tunable Sponge-Like Hierarchically Porous Hydrogels with Simultaneously Enhanced Diffusivity and Mechanical Properties. Adv. Mater., 2021, DOI: 10.1002/adma.202008235.

https://doi.org/10.1002/adma.202008235.

6、Adv. Mater.：ATP-响应型智能水凝胶同步释放免疫佐剂，提高抗肿瘤免疫

某些化学疗法和电离辐射可以诱导免疫原性细胞死亡（ICD）。如果肿瘤内同时存在免疫佐剂，将进一步增强抗肿瘤免疫。然而，由于临床化学/放射治疗通常以低剂量重复给药，在每一剂量的化学/放射治疗中将免疫佐剂注射到肿瘤中是不切实际的，因此开发了一种智能水凝胶，其释放免疫佐剂以响应反复应用的化疗/放疗。基于此，苏州大学刘庄教授等人报道了一种将海藻酸钠与三磷酸腺苷（ATP）特异性适体结合，并使其与免疫佐剂CpG寡核苷酸杂交。在肿瘤内注射后，原位形成海藻酸钠水凝胶。更重要的是，低剂量的奥沙利铂或X射线在诱导肿瘤细胞ICD的同时，可以触发ATP的释放，ATP与ATP特异性适体竞争性结合，从而触发CpG的释放。因此，这种智能水凝胶可以释放与低剂量重复化疗/放疗同步的免疫佐剂，在消除已建立的肿瘤方面实现显著的协同反应，以及在排斥再激发的肿瘤方面实现免疫记忆。此外，该智能水凝胶辅助的重复放射治疗可抑制远处肿瘤转移，尤其是与免疫检查点阻断相结合。总之，该研究提出了一个概念上的新策略，以促进癌症免疫治疗与重复低剂量化疗/放射治疗相一致，遵循临床相关的方式。

文章信息：

ATP-Responsive Smart Hydrogel Releasing Immune Adjuvant Synchronized with Repeated Chemotherapy or Radiotherapy to Boost Antitumor Immunity. Adv. Mater., 2021, DOI: 10.1002/adma.202007910.

https://doi.org/10.1002/adma.202007910.

7、Adv. Funct. Mater.：首次报道！水凝胶基光热薄膜助力太阳能驱动膜蒸馏

太阳能净水技术作为一种环保手段，在材料设计、系统工程和能源管理等方面引起了广泛的研究兴趣。然而，低产水量和相对较高的成本从根本上限制了其应用潜力。基于此，德克萨斯大学奥斯汀分校余桂华教授、赵飞博士和深圳大学赵辰阳教授等人首次报道了一种基于水凝胶超薄膜（HUM）的solar-MD系统，可以同时现实高蒸发速率、有效水蒸汽转移和高净水产率。在该系统中，HUM的存在使得蒸发前沿直接暴露于载气侧，促进了蒸发，并且在高蒸发速率下的蒸发冷却效应使得HUM表面温度低于环境，避免了热损失并实现环境能收集，从而从根本上消除了温度极化。得益于此，HUM基solar-MD系统的输出气流湿度显着增加，使系统可在没有任何能量回收和冷却装置下达到80％的蒸汽收集率，并且在一个阳光照射下获得2.4 kg m^-2 h^-1的净水产率。更重要的是，HUM的原材料成本仅为0.36 $ m^-2，使得HUM基solar-MD系统的淡水生产成本低至约为0.3-1.0 $ m^-3。总之，该工作表明基于HUM的solar-MD策略有望同时被用于分散型小规模水净化和集中型大规模水处理。

文章信息：

High-Yield and Low-Cost Solar Water Purification via Hydrogel-Based Membrane Distillation. Adv. Funct. Mater., 2021, DOI: 10.1002/adfm.202101036.

https://doi.org/10.1002/adfm.202101036.

8、Matter：心脏瓣膜状的水凝胶可实现“泵血”上万次！

心脏瓣膜和声带等生物组织一般通过复杂的形状发挥作用，同时还具有超高的抗疲劳性，以保证其长期稳定运转。目前，还没有利用合成材料同时实现这两个属性。基于此，西安交通大学唐敬达副教授和美国哈佛大学锁志刚院士等人报道了一种异质结构的水凝胶，其是通过立体光刻—浇铸法制备并且具有心脏瓣膜形状。该水凝胶是由三维（3D）骨架和基质组成，而骨架和基质都具有弹性和可拉伸性，但骨架比基质坚硬得多，并且它们的聚合物网络在拓扑上缠结在一起。当这种水凝胶被拉伸时，基质的顺应性使骨架中的应力集中，并增强了抗疲劳性，其疲劳阈值可达400 J m^-2。作者制造出了均质水凝胶和异质水凝胶，每种形状都像人的心脏瓣膜一样。在受循环压力的作用，前者在约560次循环中破裂，而后者在50000次循环后仍保持完好无损。复杂的形状和超高抗疲劳性的软材料为应用提供了广阔的机会。

文章信息：

Fabricating hydrogels to mimic biological tissues of complex shapes and high fatigue resistance. Matter, 2021, DOI: 10.1016/j.matt.2021.03.011.

https://doi.org/10.1016/j.matt.2021.03.011.

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