2019-2022年水凝胶八大科研突破

又双叒叕是水凝胶？！作为一种典型的代表性生物材料，基于众多特性优势，如可调的柔性和弹性以最大限度机械匹配组织、高含水量提供了潮湿和富含离子的微环境、附加功能的高度集成等，使其成为了生物家族中的明星材料。但常规水凝胶的机械强度有限，缺乏动态线索和结构复杂性限制了它们的应用范围。

近几年的研究通过在分子水平上的合理设计和对多尺度结构的控制，具有创新的化学组成设计到动态调节和复杂结构的功能集成已成为可能，这些工作都具有完善的体系设计，以材料选择——结构调控——功能耦合——机理探究——应用设计为线索展示了一系列多功能水凝胶。在此，小编回顾了近三年（2019~2022）具有代表性的水凝胶工作。

1.《Science》：由超声介导的可控的强生物粘附主要内容：生物粘合剂技术经常用于可穿戴电子设备、生物医学植入物、伤口处理、吻合术、再生医学和药物输送。然而，它们的使用长期以来受到生物组织的屏障效应的阻碍，例如低渗透性和有限的官能团。作者以壳聚糖溶液和聚丙烯酰胺-海藻酸盐(PAAm-alg)水凝胶分别作为底漆溶液和水凝胶贴剂展示了超声诱导的生物粘附。为了形成和控制坚韧的生物粘附，本文利用超声波(US)和锚定剂，如聚合物和纳米粒子。超声介导的生物粘附分两步实现。首先使用超声换能器(20 kHz)将施加到涂在组织基质(例如，新切下的猪皮)上的锚定剂的底漆溶液或悬浮液上。第二，用水凝胶贴片覆盖治疗区域，其触发界面处锚定剂的凝胶化（图1）。此策略能够同时实现坚韧的生物粘附和蛋白质的透皮输送。并且此策略具有普遍适用性，有望对从可穿戴设备到药物输送等广泛领域产生影响。

相关成果以“Controlled tough bioadhesion mediated by ultrasound”为题于2022年8月发表《Science》上，通讯作者是加拿大麦吉尔大学机械工程系李剑宇教授联合苏黎世联邦理工大学Outi Supponen教授。

图1 超声介导的生物粘附
文献链接：https://www.science.org/doi/full/10.1126/science.abn8699

2.《Science》：超声波检测黑科技，连续成像长达48h主要内容：目前，零辐射超声成像是一种可视化人体内部器官的常用检测方法。不幸的是，此类检查需要患者进行相应的配合，比如空腹、涂抹大量医用耦合剂等。水凝胶耦合剂的问世虽然在一定程度上解决了一些问题，但仍存在很大的局限性。为了解决以上问题，来自麻省理工学院赵选贺教授课题组设计了一种生物粘附超声(BAUS)装置，其中的超声探头是由一组高性能压电元件组成，通过生物粘附性水凝胶-弹性体混合物制成的耦合剂将超声探头牢固地粘附在皮肤上（图2）。

BAUS耦合剂由柔软而坚韧的水凝胶组成，该水凝胶由壳聚糖-聚丙烯酰胺互穿聚合物网络和水组成。刚性的BAUS探头可实现高密度的元件、动态运动下的稳定以及长期应用中的可靠性；柔性的BAUS耦合剂有效地传输声波，使BAUS探头免受皮肤变形的影响，并在48小时中保持稳健和舒适。伴随着此装置的研发，在未来的某天，或许可以实现在家中随时随地实时获得和医院同样质量的超声图像，并根据人工智能线上获取健康建议。

相关成果以“Bioadhesive ultrasound for long-term continuous imaging of diverse organs”为题于2022年7月发表在《Science》上。

图2 BAUS装置的设计及其成像性能
原文链接：https://www.science.org/doi/10.1126/science.abo2542

3.《Science》：仿生选择性频率阻尼器主要内容：生物电子学需要为病人持续监测机械和电生理信号。然而，信号总是包括患者意外运动(例如在大约30赫兹下的行走和呼吸)的伪像。当前消除它们的方法是使用带通滤波器的信号处理，但这可能导致信号损失。为此，本文提出了一种非常规的带通滤波器材料——粘弹性明胶-壳聚糖水凝胶阻尼器，灵感来自蜘蛛的粘弹性表皮垫——以选择性地去除动态机械噪声伪影。水凝胶可以充当自适应带通滤波器，能够采集来自患者的高质量信号，同时最大限度地减少高级生物电子学的信号处理（图3）。与刚性可穿戴电子装置相比，粘弹性软材料可以加速不需要信号处理步骤的软柔性生物电子设备的实时应用，为未来软材料的实时高质量应用提供了探索条件。

相关成果以“Cuticular pad–inspired selective frequency damper for nearly dynamic noise–free bioelectronics”为题于2022年5月发表在《Science》上，通讯作者是韩国成均馆大学的Tae-il Kim教授。

图3 生物启发的明胶-壳聚糖水凝胶选择性阻尼器的原理
原文链接：https://doi.org/10.1126/science.abj9912

4.《Science》：新型压电离子水凝胶的构建主要内容：压电材料可以将机械力转换成电信号，并在许多压力传感器中用作活性材料。然而，生物系统往往是基于离子而不是电子的运动，离子水凝胶恰恰是能够依赖阴阳离子的流动性实现特异性功能。因此，当挤压材料时，它会产生离子梯度，从而产生电压。本文所设计的水凝胶压电离子皮肤具有由聚（丙烯酸）和聚丙烯酰胺之间的固定电荷浓度差异所导致的内置电位差，带电侧的压缩产生了溶剂和质子的流动，从而增加了这种电位差（图4）。同时，作者还展示了几种潜在的应用，包括压电离子皮肤和外周神经刺激，以证明自供能压电离子神经调节的可能性。这可能会启发人们对不同的聚合物化学和盐进行研究，以探索机制的局限性。总之，水凝胶生物电子学的进步将为生物学和电子学的紧密结合带来前所未有的机遇。

相关成果以“Piezoionic mechanoreceptors: Force-induced current generation in hydrogels”为题于2022年4月发表在《Science》上，通讯作者是英属哥伦比亚大学John D. W. Madden教授。

图4 生物传感和压电学的对比示意图
文献来源：
https://www.science.org/doi/10.1126/science.aaw1974

5.《Science》：受肌肉训练启发的机械响应自生长水凝胶主要内容：生物承重组织是动态的开放系统，其中通过代谢过程不断发生适应周围机械环境的结构转变。已经开发了许多可以完全或部分恢复的自修复材料，在其机械使用过程中自硬化的材料已经使用复合材料或液晶弹性体。还报道了通过机械刺激重塑聚合物结构的几种尝试，这些尝试依赖于机械化学交联反应，但利用这些分子机制重塑大块固态材料以提高其机械性能仍具有挑战性。

为此，来自北海道大学龚剑萍教授团队开发出一种水凝胶通过机械刺激和来自环境的物质供应的耦合，在重复的机械负荷下获得强度和质量，这些材料在模仿骨骼肌生长的机械压力下变得更强。本文使用了一系列由聚（2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸）钠盐（PNaAMPS）作为脆性网络，聚（丙烯酰胺）（PAAm）作为可拉伸网络组成的DN水凝胶（图5）。由于许多类型的DN凝胶具有相似的机械特性，因此该工艺可应用于各种凝胶，扩大了潜在应用范围。

相关研究成果以“Mechanoresponsive self-growing hydrogels inspired by muscle training”为题于2019年2月发表在《Science》上。

图5 机械训练诱导材料自生长的概念方案
文献链接：http://science.sciencemag.org/content/363/6426/504

6.《Science》：关节软骨启发，基于脂质的边界润滑水凝胶主要内容：水凝胶的润滑来自流体或溶剂化的表面相。相比之下，关节软骨(一种复杂的生物水凝胶)的润滑性至少部分归因于非流体的脂质暴露边界层。受此启发，来自魏茨曼科学研究院的Weifeng Lin，Ronit Goldberg等人在合成水凝胶中模拟了这种行为，通过引入微量脂质浓度来创建一个分子水平厚度的，且可以再生的润滑层（图6）。首先制备了二肉豆蔻酰磷脂酰胆碱（DMPC）和氢化大豆磷脂酰胆碱氢化（HSPC）的多室脂质体（MLVs），并将这两种PC MLVs以较低浓度分别加入到HEMA单体溶液中，通过引发聚合交联获得含有MLVs的PHEMA水凝胶。相对于无脂凝胶，摩擦和磨损减少了80%至99.3%，即使凝胶干燥后再水化时，这种效应仍然存在，这种方式为构建低摩擦低磨损自润滑水凝胶提供了一个全新的平台。

相关成果以“Cartilage-inspired, lipid-based boundary-lubricated hydrogels”为题于2020年10月发表在《Science》上。

图6 水凝胶的自润滑作用示意图
原文链接：https://www.science.org/doi/10.1126/science.aay8276

7.《Nature》：MIT赵选贺首创人工双面胶，5 s实现强力粘结主要内容：现有的组织粘合剂，以液体或湿水凝胶的形式，主要依靠其分子(例如单体、大分子单体或聚合物)通过界面水的扩散来与组织的聚合物网络形成结合。相比之下，能够在潮湿环境中形成粘附的动物通常具有从接触表面移除界面水以形成结合的机制(例如，贻贝、藤壶和蜘蛛网胶)。受自然界中这些例子的启发，来自MIT赵选贺团队创新设计了DST（tissue double-sided tape），采用干交联机制去除界面水并在湿组织上形成粘附。该DST由两个主要部分组成：一部分是生物可降解的GelMa交联的PAAc-NHS，另一部分是生物可降解的生物大分子（如明胶或壳聚糖）。人体双面胶能在5秒钟之内吸收潮湿组织表面的水分，同时与组织形成物理键和共价键的交联（图7）。在吸水后，双面胶变成一层柔软、坚韧、生物兼容的水凝胶，保持坚韧粘结几天到数月。

相关文章以“Dry double-sided tape for adhesion of wet tissues and devices”为题于2019年10月发表在《Nature》上。

图7 双面胶实物图
原文链接：https://www.nature.com/articles/s41586-019-1710-5

8.《Science》：革命性技术，3D打印设计会呼吸的“肺”主要内容：实体器官通过独特的血管网络运输流体，这些血管网络在生物物理和生物化学上相互纠缠，产生了复杂的三维 (3D)运输机制，这些机制仍然难以产生和研究。作者通过使用食品染料添加剂作为投影立体平版印刷术的生物相容且有效的光吸收剂，用可光聚合水凝胶建立了血管内和多血管的设计自由度（图8）。本文展示了几分钟内生产的单片透明水凝胶，包括有效的血管内3D流体混合器和功能性二叶瓣。作者从空间填充的数学拓扑进一步阐述了缠绕的血管网络，并探索了在潮气呼吸和近端气道扩张期间人类红细胞的氧合和流动。可以预计，在这种“开源”技术的推动下，人们能对3D打印器官产生更多理解，最终促进“人造器官”的加速上市，造福广大需要器官移植的患者。

相关研究成果以“Multivascular networks and functional intravascular topologies within biocompatible hydrogels”为题于2019年5月发表在《Science》上，该工作由莱斯大学的Jordan S. Miller和华盛顿大学的Kelly R. Stevens等人团队完成。

图8 缠绕的血管网络
文献链接：

https://www.science.org/doi/10.1126/science.aav9750

本文来源：EFL公众号,转载仅供学习参考

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