水凝膠是近年最為火熱的生物材料之一。它們具有化學(xué)和結(jié)構(gòu)上的多功能性，使其可以在包括組織工程，藥物遞送和細(xì)胞培養(yǎng)廣泛使用。水凝膠的形成是溶膠-凝膠轉(zhuǎn)變過(guò)程，并且可以通過(guò)設(shè)計(jì)不同的觸發(fā)因素來(lái)引發(fā)，這些觸發(fā)因素可以精確控制水凝膠化動(dòng)力學(xué)和水凝膠結(jié)構(gòu)。所選的水凝膠引發(fā)劑和化學(xué)性質(zhì)可能對(duì)目標(biāo)應(yīng)用的成功實(shí)現(xiàn)產(chǎn)生深遠(yuǎn)影響。
近日，帝國(guó)理工學(xué)院研究人員詳細(xì)概述了一些觸發(fā)水凝膠形成的可用方法，并描述了每種方法的機(jī)理，優(yōu)點(diǎn)和局限性，并基于它們是直接引發(fā)凝膠作用（本征凝膠作用）還是通過(guò)從中間組分釋放凝膠引發(fā)劑（間接凝膠作用）而提出了一種新型的凝膠引發(fā)劑分類系統(tǒng)。接著，研究人員嚴(yán)格評(píng)估了這些觸發(fā)因素在基礎(chǔ)和臨床生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用（包括體內(nèi)凝膠化，3D生物打印和水凝膠圖案化）中的適用性。這將有助于為新的水凝膠應(yīng)用選擇觸發(fā)因素，并激發(fā)新的凝膠觸發(fā)機(jī)制的合理設(shè)計(jì)。相關(guān)工作以“Tailoring Gelation Mechanisms for Advanced ?Hydrogel Applications”為題發(fā)表在《Adv. Funct. Mater》上。
水凝膠的共價(jià)鍵和非共價(jià)鍵相互作用
共價(jià)鍵：水凝膠可以由共價(jià)交聯(lián)的聚合物鏈的網(wǎng)絡(luò)組成。聚合物鏈之間的共價(jià)鍵形成網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)在足夠的交聯(lián)密度下通過(guò)表面張力將水包裹起來(lái)。對(duì)于生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用，最常見(jiàn)的鍵是由“點(diǎn)擊化學(xué)”反應(yīng)形成的鍵，因?yàn)檫@些鍵可在環(huán)境條件下快速交聯(lián)。包括銅催化的或應(yīng)變促進(jìn)的疊氮化物-炔烴環(huán)加成反應(yīng)，邁克爾供體和受體的邁克爾加成反應(yīng)，硫醇-烯反應(yīng)，狄爾斯-阿爾德環(huán)加成反應(yīng)，二硫鍵的形成和肟鍵的形成。同時(shí)，共價(jià)交聯(lián)也已被研究作為形成聚合物-納米顆粒水凝膠的一種途徑。
靜電相互作用：水凝膠網(wǎng)絡(luò)也可以通過(guò)靜電相互作用來(lái)穩(wěn)定。例如，金屬藻酸鹽水凝膠由螯合在相鄰生物聚合物鏈上的羧酸鹽的二價(jià)陽(yáng)離子（例如Ca2+，Mg2+，Ba2+）組成，三價(jià)陽(yáng)離子（例如Al3+，F(xiàn)e3+）可以與三個(gè)羧酸根基團(tuán)相互作用形成更緊密的網(wǎng)絡(luò)，從而生成具有改善機(jī)械性能的金屬-藻酸鹽水凝膠。其他能夠形成離子交聯(lián)水凝膠的生物聚合物包括殼聚糖，果膠，纖維素和聚半乳糖醛酸鈉。水凝膠也可以通過(guò)凝聚作用產(chǎn)生，凝聚作用是在水性介質(zhì)中對(duì)帶相反電荷的聚合物進(jìn)行液相-液相分離，這一過(guò)程主要由靜電相互作用驅(qū)動(dòng)。應(yīng)該注意的是，靜電相互作用并非孤立地起作用。而是這些鍵由進(jìn)一步穩(wěn)定水凝膠網(wǎng)絡(luò)的其他非共價(jià)相互作用（例如，范德華相互，氫鍵）補(bǔ)充。
其他非共價(jià)相互作用：水凝膠也可以使用嵌段共聚電解質(zhì)形成，其中離子嵌段賦予水溶性，而疏水嵌段則通過(guò)疏水作用驅(qū)動(dòng)網(wǎng)絡(luò)形成。非共價(jià)水凝膠也可以由兩親物形成。這些系統(tǒng)通常需要疏水性和親水性之間達(dá)到微妙的平衡才能生成水凝膠。如果兩親物疏水性太強(qiáng)，則不能溶于水；如果其親水性太強(qiáng)，則沒(méi)有促進(jìn)自組裝的驅(qū)動(dòng)力。在中間條件下，這些兩親物通常會(huì)通過(guò)非共價(jià)交聯(lián)或纏結(jié)形成網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)之前，組裝成各向異性結(jié)構(gòu)分子之間的相互作用受疏水作用，氫鍵，π-π相互作用和范德華相互作用的驅(qū)動(dòng)。
互穿網(wǎng)絡(luò)：由兩個(gè)或多個(gè)互穿的聚合物網(wǎng)絡(luò)組成的雜化系統(tǒng)可以提供介于組成水凝膠之間的物理和機(jī)械性能。在某些情況下，可以通過(guò)組合短鏈聚電解質(zhì)和長(zhǎng)鏈共價(jià)網(wǎng)絡(luò)形成雙網(wǎng)絡(luò)水凝膠來(lái)提高機(jī)械性能。
內(nèi)在水凝膠觸發(fā)因素
溫度：熱觸發(fā)非常適合許多基礎(chǔ)科學(xué)和臨床應(yīng)用。當(dāng)溶膠-凝膠轉(zhuǎn)變發(fā)生在生物醫(yī)學(xué)通常使用的溫度范圍內(nèi)（約4–41°C）時(shí)，具有極高的應(yīng)用價(jià)值。在此溫度范圍內(nèi)，熱觸發(fā)最常用于引發(fā)非共價(jià)相互作用的形成，從而導(dǎo)致膠凝。
組分混合：利用互補(bǔ)聚合物鏈之間發(fā)生的有吸引力的相互作用，將交聯(lián)劑如戊二醛整合到網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中，非共價(jià)相互作用，混合納米顆粒和聚合物均可以引發(fā)水凝膠化。
pH：作為組分混合的一個(gè)子集，可以引入酸或堿以進(jìn)行pH誘導(dǎo)的膠凝作用。例如，帶有可以質(zhì)子化或去質(zhì)子化的官能團(tuán)的聚合物可以通過(guò)改變pH值進(jìn)行可逆的自組裝。還可以通過(guò)使用高度依賴溶液pH的共價(jià)反應(yīng)來(lái)介導(dǎo)水凝膠化，例如羥胺與醛或酮的反應(yīng)形成肟鍵。值得注意的是，pH交付方式也很重要；直接添加酸或堿會(huì)導(dǎo)致膠凝過(guò)程中局部不均勻，因此通常優(yōu)選緩沖液混合控制。
氧化態(tài)的變化和酶的添加：作為組分混合的另一個(gè)子集，添加可以通過(guò)氧化態(tài)變化誘導(dǎo)水凝膠化的分子。常見(jiàn)的氧化劑包括氧氣，高碘酸及其衍生物和過(guò)氧化氫。酶也可以通過(guò)氧化狀態(tài)的變化來(lái)誘導(dǎo)凝膠化。
電磁輻射：電磁輻射被廣泛用于觸發(fā)水凝膠交聯(lián)。然而，在大多數(shù)情況下，這種方法需要的中間物質(zhì)的存在，如光引發(fā)劑或等離子體納米顆粒。
間接水凝膠觸發(fā)因素
溫度：脂質(zhì)體特別適合作為熱響應(yīng)性載體，因?yàn)樗鼈儽憩F(xiàn)出熱致相變。這些轉(zhuǎn)變與膜流動(dòng)性和脂質(zhì)堆積的變化有關(guān)，從而允許依賴溫度的貨物釋放。
超聲波：超聲觸發(fā)的貨物釋放已被廣泛用于藥物輸送，并且最近已被用于引發(fā)水凝膠化。有許多超聲響應(yīng)性的載體，包括脂質(zhì)體，膠束，聚合物囊泡，微泡和相移納米液滴。
電磁輻射：紫外線和可見(jiàn)光已廣泛用于通過(guò)使用光引發(fā)劑分子來(lái)引發(fā)膠凝作用，所述光引發(fā)劑分子能夠吸收入射輻射并形成可介導(dǎo)聚合反應(yīng)的物質(zhì)。自由基光聚合的一種替代方法是使用逐步增長(zhǎng)的機(jī)制，例如硫醇-降冰片烯交聯(lián)。但是，高頻輻射（紫外線，短波可見(jiàn)光）對(duì)不透明物質(zhì)（例如組織）的穿透深度有限。一種替代方法是使用NIR來(lái)引發(fā)等離子體納米結(jié)構(gòu)的加熱，然后可以將其用于引發(fā)熱誘導(dǎo)的凝膠化。
應(yīng)用
水凝膠具有一系列材料特性，非常適合在組織工程，再生醫(yī)學(xué)，細(xì)胞培養(yǎng)，藥物輸送，軟機(jī)器人，生物傳感和生物電子學(xué)中應(yīng)用。響應(yīng)于特定刺激的水凝膠還可以經(jīng)歷材料變化（例如，溶脹，降解，熒光變化），這使水凝膠在藥物遞送，軟機(jī)器人，和生物傳感平臺(tái)中具有應(yīng)用前景。
3D細(xì)胞培養(yǎng)：水凝膠是用于各種細(xì)胞培養(yǎng)應(yīng)用的成熟平臺(tái)，例如生物過(guò)程研究或基于細(xì)胞的療法的開(kāi)發(fā)。細(xì)胞可以在預(yù)制水凝膠上培養(yǎng)或封裝在水凝膠或微凝膠中。另外，水凝膠封裝還廣泛用于類器官的培養(yǎng)。與玻璃和塑料基板相比，水凝膠可以為細(xì)胞提供更緊密地復(fù)制生理學(xué)的生物，機(jī)械和地形環(huán)境。特別地，水凝膠封裝可以提供模擬細(xì)胞外基質(zhì)的3D環(huán)境，從而支持或調(diào)節(jié)某些細(xì)胞行為。
體內(nèi)凝膠化：許多組織工程，再生醫(yī)學(xué)和藥物輸送方法都試圖將預(yù)制的材料植入或注入人體。一種對(duì)策是使用體內(nèi)凝膠化，它為材料輸送提供了一種微創(chuàng)方法。其中一種方法是在給藥前立即啟動(dòng)膠凝過(guò)程，例如，在從單桶或雙桶注射器注射過(guò)程中混合組分。
水凝膠圖案化：水凝膠中化學(xué)，物理和結(jié)構(gòu)特征的圖案化提供了以空間和/或時(shí)間方式調(diào)節(jié)細(xì)胞-材料界面的機(jī)會(huì)。在引發(fā)凝膠化之前，在前體溶液中構(gòu)造聚合物或貨物組分可以得到圖案化水凝膠。另外，基于掩模的光刻，單光子激光掃描光刻和多光子激光掃描光刻等技術(shù)已被用于高分辨率，化學(xué)修飾的預(yù)制水凝膠或制造水凝膠剛度梯度。
基于水凝膠的生物制造：組織工程學(xué)和再生醫(yī)學(xué)的主要挑戰(zhàn)之一是制造能夠復(fù)制天然組織的生物學(xué)和結(jié)構(gòu)功能的合成構(gòu)建體。這種需求促進(jìn)了多種生物制造技術(shù)的發(fā)展，其中生物制造一詞表示“由活細(xì)胞，生物活性分子，生物材料，細(xì)胞聚集體（如微組織）或混合的細(xì)胞材料構(gòu)建體自動(dòng)生成結(jié)構(gòu)化的，具有生物功能的產(chǎn)品通過(guò)生物打印或生物組裝。水凝膠在許多生物制造策略中被用作生物材料成分，因?yàn)樗鼈兊南嘈袨楹陀|發(fā)機(jī)制使制造方法變得靈活。相對(duì)簡(jiǎn)單的水凝膠生物制造策略是微成型，其中將水凝膠前體溶液沉積到模具中，進(jìn)行交聯(lián)，然后脫模。許多不同的印刷方式也已應(yīng)用，諸如液滴生物打印，使用光固化和雙光子聚合反應(yīng)。
細(xì)胞涂層：具有材料涂層的活細(xì)胞的功能化可用于為細(xì)胞提供保護(hù)性屏障或增強(qiáng)的特性。應(yīng)用包括生物電子設(shè)備的制造，用于組織工程的多細(xì)胞結(jié)構(gòu)的定向組裝以及細(xì)胞的治療性遞送。薄的水凝膠層在細(xì)胞周圍的沉積可以使用微滴實(shí)現(xiàn)。
納米粒子模板化的納米凝膠制備：納米級(jí)水凝膠已經(jīng)成為一種多功能的藥物輸送平臺(tái)，可以封裝和釋放相對(duì)大量的大生物分子。傳統(tǒng)方法通常涉及兩親性聚合物納米結(jié)構(gòu)的交聯(lián)或反相乳液聚合的使用，也可以通過(guò)納米顆粒來(lái)模板化納米凝膠制造。
展望
總體而言，新型水凝膠化機(jī)制的出現(xiàn)以及現(xiàn)有觸發(fā)器的重新配置將為生物材料科學(xué)帶來(lái)新的機(jī)遇，并推動(dòng)新的生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用的發(fā)展。這對(duì)于基于水凝膠的載體，植入物和設(shè)備的臨床翻譯尤為重要，因?yàn)樗z基礎(chǔ)材料的選擇，水凝膠化機(jī)制和觸發(fā)劑的選擇都高度依賴于預(yù)期的應(yīng)用和給藥途徑。許多水凝膠產(chǎn)品已進(jìn)入市場(chǎng)，包括外科手術(shù)密封劑，傷口敷料，抗菌涂層，皮膚填充劑和軟骨修復(fù)基質(zhì)（例如CaReS）。但是，仍然存在許多臨床挑戰(zhàn)，尤其是圍繞擴(kuò)大規(guī)模的成本，符合良好生產(chǎn)流程以及復(fù)雜的監(jiān)管和批準(zhǔn)程序等方面。鑒于這些考慮因素，設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單且基于臨床已經(jīng)使用的材料的水凝膠產(chǎn)品更具臨床轉(zhuǎn)化前景。
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