水凝胶可没有那么简单

2022-02-11 17:01

哈喽~大小朋友们

说起水凝胶,你们能联想到什么呢?

想必,青铜段位的朋友回答

吃 的 这 些

白银段位的朋友提及

用 的 这 些

但事实上,水凝胶的应用远不止于此。

现在,我们来重新认识它。

水凝胶 一类具有三维化学或物理交联网络结构并且网络空隙中充满了水作为分散介质的软材料,其类似于生物软组织,具有独特的微环境(高含水量和通透性)和自适应的特点,在药物递送、组织工程、柔性电子器件等多领域展现出广阔的应用前景,将对我们的日常生活、生命健康等方面产生重要影响。

科技进步为水凝胶在生物医用领域应用创造了更多的可能性。

如今,水凝胶在药物释放、医用敷料、牙龈组织再生、骨修复等研究中担任着重要角色,是最具潜力的医用材料之一。



医用敷料

外伤及外伤感染是医院的多发病例,医用敷料可充当保护屏障,用来覆盖伤口,吸收伤口渗出液体,帮助创面愈合。水凝胶具有良好的柔韧性和生物相容性,其制作的敷料吸收液体性能好,能够为创面创造一个利于组织再生的湿润环境,凝胶滑弹状态可有效地避免了伤口黏连造成的二次伤害,因此成为医用敷料的极佳选择。

可注射的自愈型复合水凝胶



药物输送

药物输送系统是利用材料作为载体或介质,与药物结合后进入人体使药物分子在人体内持续缓慢地释放,从而达到治疗疾病的目的。

水凝胶具有储存药物、控制药物释放速度和驱动释放的功能,既能调节制剂的硬度和强度,又具有促进分解的作用,还能遮蔽医药品的气味,在药物释放载体领域具有较大的应用潜力。

可拉伸韧性水凝胶在药物释放中的应用



牙龈再生

水凝胶可以制备成可注射剂型,在凝胶化前可通过注射的方式使液体充分填充髓腔和根管,发生凝胶化反应后,形成的水凝胶与周围组织密切贴合,非常适合在牙髓再生研究中应用。另外,水凝胶包封细胞后发生溶胶-凝胶转化,可使细胞在凝胶内部分布较为均匀,可能解决牙髓再生中外源细胞难以深入根管内支架深部的问题。



心脏修复

采用直接心脏移植来进行心脏修复治疗,受供体数量、排斥反应等影响,成功率低。因此,采用细胞移植进行心脏修复是治疗心力衰竭的更有效方法,但移植后细胞的低滞留率和低存活率大大限制了其在临床的推广应用。

可注射水凝胶为移植细胞提供较好的生存环境,除了满足生物相容性、低免疫原性、高渗透性及可调机械性能,还可经导管输注到心肌进行微创治疗,是心脏组织工程的重要组成部分。

热敏水凝胶(含有治疗剂)注入心包腔



神经修复

天然高分子水凝胶是一类高生物相容性材料,与人体细胞外基质环境相近,是近年来应用于神经修复的热点医用材料。其硬度和粘弹性等学性能与人体神经组织相近,膨胀后构建的致密三维结构可促进神经生长,承载生物活性物质可以制备具有药物缓释功能的水凝胶神经组织支架。另外,天然高分子水凝胶可作为细胞培养平台,定向排列细胞,促进神经轴突生长,弥补受损神经间隙,从而修复周围神经损伤。



骨修复

骨移植是治疗骨缺损的重要手段,然而骨移植材料来源匮乏、异体骨移植的供体骨组织不健全、感染与并发症风险等,使骨移植的应用受到限制。

刺激响应型水凝胶含有普通水凝胶的优点,能够感受温度、光照、PH和磁场等外界物理化学刺激,进而在三维形状、固液相态等性质上触发转变,产生可注射性、自愈合性、形状记忆等性能,可用于搭载活性细胞及细胞生长因子并植入缺损组织,实现骨组织损伤修复和功能重建。



脊髓损伤修复

间充质干细胞(MSCs)移植是治疗脊髓损伤的重要手段,但细胞移植后的低存活率限制其在临床上的进一步应用。

水凝胶材料因其良好的生物相容性、生物降解性被广泛应用于组织工程。MSCs与水凝胶联合应用时,水凝胶能够稳定病变部位炎症环境,同时负载MSCs将其原位递送到损伤区域进行修复,并为受伤组织的再生提供适宜环境。



骨关节炎软骨损伤修复

由生物支架、种子细胞和有利的生长因子组成的组织工程发展成为最有前途的软骨组织修复策略,但移植种子细胞后,细胞外基质由于支持不足及炎症造成大量细胞死亡,软骨修复达不到预期的效果。

水凝胶作为交联亲水性聚合物是生物医学领域重要的生物材料,具有优异的生物相容性,可导致最小的炎症反应和组织损伤。透明质酸遍布于结缔组织、上皮组织和神经组织,是细胞外基质的重要组成部分,有助于细胞增殖和迁移。因此,结合两者优势的透明质酸水凝胶具有良好的生物相容性、生物降解性和低免疫原性,在骨性关节炎的软骨修复中得到了广泛应用。

水凝胶系统植入小型猪软骨缺损部位



医用植介入

水凝胶介入疗法是水凝胶在生物医学领域里的一种崭新的应用。通过水凝胶的界面原位聚合技术,在血管内表面形成一层薄薄的水凝胶涂层,从而隔离血液与受伤血管壁的接触,抑制血小板沉积、血栓形成和新生内膜扩增。另外,生物活性水凝胶涂层可通过引入生物活性因子,促进血管内皮愈合,从而恢复血管的正常功能。



生物监测

通过将导电填料与不同类型的聚合物基质结合在一起,可以合成出多种类型的导电聚合物水凝胶。导电水凝胶作为一种新型功能凝胶材料,受到了研究者的青睐,科学家使用导电水凝胶开发了电容传感器来应用于监测人体活动。实验结果表明,导电水凝胶电容传感器对不同力度的手指触碰和不同程度的手指弯曲形变都表现出灵敏的响应行为。

水凝胶仿生皮肤在应变、温度传感和自愈方面的应用


总而言之,从低值医用耗材到高端药物输送技术,从外用敷料到体内组织支架,水凝胶因其特性成为重要的医疗器械材料。现在,生物医用研发有它而锦上添花;未来,将因它大放异彩。

参考文章及文献:

[1] DT新材料,水凝胶在生物医药领域的十大应用.

[2] 盛卉,薛斌,秦猛,王炜,曹毅.可拉伸超韧水凝胶的制备和应用,高等学校化学学报,2020(6),1194-1207.

[3] Minimallyinvasive delivery of therapeutic agents by hydrogel injection into thepericardial cavity for cardiac repair,Nature Communications.

doi.org/10.1038/s41467-021-21682-7

[4] Hydrogel‐Guided,rAAV‐Mediated IGF‐I Overexpression Enables Long‐Term Cartilage Repair andProtection against Perifocal Osteoarthritis in a Large‐Animal Full‐ThicknessChondral Defect Model at One Year In Vivo,AdvancedMaterials.

doi.org/10.1002/adma.202008451