三分鐘讀懂水凝膠

題記

隨著3D細(xì)胞培養(yǎng)、類器官研究、細(xì)胞治療、藥物靶向治療等領(lǐng)域的迅速發(fā)展，研究人員對(duì)一些化學(xué)或物理材料的研究深度不斷提升。其中水凝膠作為一種以水為分散介質(zhì)的具有三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的高分子材料，受到廣大科研人員的青睞。水凝膠目前已經(jīng)廣泛應(yīng)用于多個(gè)領(lǐng)域，包括生物醫(yī)藥、組織工程和再生醫(yī)藥、農(nóng)業(yè)領(lǐng)域、防腐領(lǐng)域等，為各領(lǐng)域的創(chuàng)新發(fā)展發(fā)揮重要作用，也是具有較大開(kāi)發(fā)潛力的材料之一。今天就給大家總結(jié)水凝膠的基礎(chǔ)知識(shí)，快速了解下吧~
 

基本定義

水凝膠是由親水性聚合物鏈通過(guò)化學(xué)或物理交聯(lián)而形成的三維網(wǎng)絡(luò)。它可以充分吸水而不溶于水，自身顯著溶脹的同時(shí)仍可以保持其原有的三維結(jié)構(gòu)。水凝膠含有大量的水，質(zhì)地柔軟，性狀可塑，物理性質(zhì)和生物組織類似，具有優(yōu)異的生物相容性，可以搭載不同的材料，比如藥物、細(xì)胞、外泌體等，同時(shí)硬度可調(diào)節(jié)，是一類優(yōu)秀的生物材料。或者說(shuō)水凝膠材料比其它合成的生物材料更加接近于活體組織，性質(zhì)上也類似于體內(nèi)細(xì)胞的生存環(huán)境，即細(xì)胞外基質(zhì)，且水凝膠在形成凝膠結(jié)構(gòu)后，對(duì)周圍組織的摩擦或機(jī)械作用減小，生物學(xué)性能發(fā)生明顯的改善。

 

水凝膠產(chǎn)品的性質(zhì) 

 

01、溶脹性！

凝膠吸收液體后自身體積明顯增大的現(xiàn)象，這是彈性凝膠的重要特性，凝膠的溶脹分為兩個(gè)階段：第一階段是溶劑分子鉆入凝膠中與大分子相互作用形成溶劑化層，過(guò)程快，并伴有放熱效應(yīng)和體積收縮現(xiàn)象（凝膠體積的增加比吸收的液體體積�。�。

02、環(huán)境敏感性！

根據(jù)環(huán)境的變化類型不同分為：溫敏型水凝膠、pH水凝膠、鹽敏型水凝膠、光敏型水凝膠、電場(chǎng)感應(yīng)水凝膠、形狀記憶水凝膠、非離子型水凝膠。其中溫敏型水凝膠作為原位的藥物傳遞較為有用。pH型水凝膠指隨著環(huán)境pH的變化而發(fā)生變化。

03、粘附性！

兩個(gè)生物體表面之間形成任何結(jié)合，或是一個(gè)生物體的表面與另外一個(gè)天然或合成材料表面的粘結(jié)的總稱。

圖1 基于水凝膠的一些生物制造產(chǎn)品
 

 水凝膠交聯(lián)方式 

 

01、物理交聯(lián)！

主要指分子通過(guò)離子間作用、氫鍵、結(jié)晶化等形成水凝膠。離子間作用形成的凝膠結(jié)構(gòu)可以在較為溫和的條件下進(jìn)行，加入金屬離子通常會(huì)增強(qiáng)凝膠結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度。物理交聯(lián)形成的凝膠，一般是可逆的。

02、化學(xué)交聯(lián)！

主要指高分子鏈段間以共價(jià)鍵交聯(lián)起來(lái)。一般需要加入交聯(lián)劑，利用化合物發(fā)生加成、縮合之類的化學(xué)反應(yīng)，彼此之間形成化學(xué)交聯(lián)，即得到凝固的水凝膠結(jié)構(gòu)。化學(xué)交聯(lián)形成的凝膠結(jié)構(gòu)，除非破壞化學(xué)鍵，一般是不可逆的。

圖2 觸發(fā)水凝膠形成凝膠結(jié)構(gòu)的示意圖（A，內(nèi)在觸發(fā)包括利用溫度變化、組分混合、pH變化、添加酶等來(lái)形成凝膠結(jié)構(gòu)；B，間接觸發(fā)包括使用一些熱或光引發(fā)劑的激活來(lái)刺激形成凝膠結(jié)構(gòu)）
 

 水凝膠的主要應(yīng)用

 

01、創(chuàng)傷敷料！

例如干型紗布，濕型水凝膠，PVP水凝膠是一種類似于生命組織的高分子材料，有良好的生物相溶性，不影響生命體的代謝過(guò)程，并且代謝產(chǎn)物可以通過(guò)水凝膠排出，根據(jù)需要將不同藥物包埋在水凝膠內(nèi)，可緩慢持續(xù)釋放到病變區(qū)，從而達(dá)到治愈傷口或皮膚病的目的。

02、藥物載體！

藥物遞送。水凝膠的藥物釋放機(jī)制，是由網(wǎng)格尺寸調(diào)控的。其中尺寸較小的藥物可以通過(guò)水凝膠快速擴(kuò)散；藥物尺寸接近于水凝膠網(wǎng)絡(luò)尺寸時(shí)，藥物遞送減慢；藥物尺寸較大時(shí)，基本是包埋于水凝膠網(wǎng)絡(luò)中�？煞譃槿�種釋放途徑：網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)降解釋放藥物；網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)溶脹釋放藥物；網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)機(jī)械形變釋放藥物。

圖3 水凝膠網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)尺寸大小調(diào)節(jié)藥物釋放

03、組織工程支架材料！

組織填充材料，不吸收、不脫落、不碎裂，在彌散的環(huán)境下能很好保持水分，有較好的粘度，彈性和柔軟度，適合人體組織結(jié)構(gòu)。

圖4 體內(nèi)水凝膠應(yīng)用

04、保水抗旱！

人工合成的具有超強(qiáng)吸水和保水釋放能力的高分子聚合物，主要成分是聚丙烯酸鹽（鉀鹽）和聚丙烯酰胺共聚體。能迅速吸收比自身重量數(shù)百倍的脫離子水，數(shù)十倍至百倍的含鹽水分，控制土壤水分蒸發(fā)以滿足植物的生長(zhǎng)需要、促進(jìn)植物根系生長(zhǎng)發(fā)育，同時(shí)改善土壤結(jié)構(gòu)、增加土壤活性，減少土壤板結(jié)等。

 

 TW VitroGel水凝膠介紹  

 

美國(guó)TheWell公司專注于生物材料研發(fā)，為3D細(xì)胞培養(yǎng)和體內(nèi)注射系統(tǒng)相關(guān)領(lǐng)域的研究提供先進(jìn)的產(chǎn)品和服務(wù)。水凝膠VitroGel系統(tǒng)為多聚糖體系，無(wú)任何動(dòng)物源成分，準(zhǔn)確構(gòu)建天然的細(xì)胞外基質(zhì)環(huán)境，不可調(diào)節(jié)硬度的即用型或可調(diào)節(jié)硬度的高濃度型水凝膠可應(yīng)用于3D細(xì)胞培養(yǎng)、類器官、血管生成、細(xì)胞侵襲、動(dòng)物體內(nèi)研究等。

圖5 VitroGel可調(diào)節(jié)型水凝膠（左圖）；即用型水凝膠（右圖）
 

 TW VitroGel水凝膠FAQ 

*如需了解更多水凝膠應(yīng)用說(shuō)明，請(qǐng)聯(lián)系逍鵬生物或登錄www.xpbiomed.com查詢。
 

參考文獻(xiàn) ✦

1、Li J, Mooney DJ. Designing hydrogels for controlled drug delivery. Nat Rev Mater. 2016 Dec; 1(12): 16071.
2、Nele V., Wojciechowski, J. P. Armstrong, et al. Tailoring Gelation Mechanisms for Advanced Hydrogel Applications. Adv. Funct. Mater. 2020, 30, 2002759.

 

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