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水凝胶系列科普四：水凝胶——生物医学工程领域的“闪亮之星”

来源：生物催化与酶工程发布时间：2025-03-25

在生物医学领域，水凝胶正以其独特的性能和多样化的应用潜能，成为科学研究和临床治疗的焦点。水凝胶是由天然或合成的聚合物组成的三维柔性多孔网状材料，具有良好的保水性、生物相容性、拉伸性和黏弹性，是生物医学和制药领域理想的新型材料之一。作为一种多功能性材料，由于其结构的可控性和独特的孔隙结构，为药物分子、检测探针、生物大分子等的封装提供了稳定的环境，在未来个性化的疾病监测、诊断、治疗和组织修复等领域显示出广阔的应用前景（图1）。

图1 水凝胶在个性化疾病监测中应用的概念图

1.智能水凝胶——药物高效传输的“快递员”

（1）药物递送

水凝胶由于具有良好的生物相容性、多孔的结构和可调节的药物包封、扩散和释放能力，长期以来一直被认为是药物递送的理想载体（图2）。与直接给药相比，水凝胶负载药物通过分子扩散和基质降解等被动方式缓慢释放药物，有效延长药物的作用时间，提高了药物的治疗效果。同时，通过调节水凝胶的交联密度和孔隙结构，进一步控制药物的释放速率，延长药物在体内的滞留时间，从而减少给药量和给药频次。另外，通过对聚合物长链进行修饰，引入环境敏感的响应基团（如：羧基、羟基、氨基等），实现药物的靶向递送和智能化释放。

图2 载药水凝胶概念图

（2）磁响应性水凝胶

磁性水凝胶作为一种外部刺激响应性材料，能够对外界磁场变化做出快速响应，比如，磁导运动，通过外部磁场参数的设计，使磁性材料在远场梯度吸引下进行移动。此外，磁响应水凝胶还可以在不同频率的磁场下将磁能转化为其他形式的能量。在低频磁场（< 100 Hz）作用下，其可通过偶极-偶极相互作用将磁能转化为机械能。所产生的机械力可导致磁性水凝胶变形，对细胞/组织产生刺激，从而诱导特定的生物效应。在高频磁场（100 kHz-1 MHz）下，磁性纳米颗粒（MNPs）可以依靠奈尔弛豫（当MNPs固定时，内部磁矩克服MNPs的各向异性）和布朗弛豫（当磁矩固定时，MNPs克服摩擦力）的机制将磁能转化为热能。磁性水凝胶的发热和升温特性可应用于热疗、热敏药物控释和软体致动器等领域。

例如，在肿瘤治疗中，磁响应水凝胶可以在外部磁场的引导下，将药物精准输送到肿瘤部位（图3），减少药物对正常组织的损伤，降低全身副作用，显著提高治疗效果。同时，外部磁场的远程应用对组织穿透深度无限制，不会对人体造成伤害。这种智能响应的给药方式，使水凝胶在个性化医疗和精准医学领域展现出巨大潜力。

图3 在外部恒定磁场（400 Oe）切换“开-关”模式下，磁性水凝胶的药物控释图

2.水凝胶——组织无损修复的“魔术师”

水凝胶由于其透气、保湿、透明、安全等卓越的性能，成为了无损组织修复的明星材料。在角膜修复中，研究人员通过将人类角膜细胞与水凝胶结合，成功构建出具有天然角膜结构和功能的修复材料。这种材料不仅能够促进角膜上皮细胞的生长和迁移，还能维持角膜的透明度和机械强度，为角膜损伤患者带来了新的希望。针对浅表角膜上皮损伤，水凝胶角膜敷料可以加速伤口愈合，覆盖和保护角膜创伤，加速伤口愈合；对于深度≤角膜厚度50%的角膜基质缺损，可选择可注射水凝胶，此类水凝胶材料需具备足够的耐久性、良好的生物相容性、高透明度和生物降解性。对于角膜穿孔，可使用角膜封闭剂，防止穿孔感染，封闭角膜，促进愈合；对于角膜基质缺损较大或累及整个角膜的疾病，需要进行板层角膜移植或穿透性角膜移植，组织工程角膜为其提供更多的选择。对于角膜变薄和扩张的疾病，例如：圆锥角膜和其它角膜疾病，硅酮水凝胶片可以防止角膜扩张和进一步的疾病进展。水凝胶也可用作生物工程植入物，其可被插入激光切割的基质内角膜囊袋（图4）。

图4 水凝胶在角膜损伤中的应用

另外，借助3D生物打印技术，水凝胶材料被塑造成精细可控的三维结构，不仅可以模拟天然组织的结构和功能，还能实现个性化定制，该技术吸引了众多科学家关注角膜重建的研究，为再生医学的发展提供了新的方向（图5）。未来的研究将集中于如何将3D生物打印技术与计算机辅助设计相结合，以生产出结构可控、屈光能力更好的更精确的生物工程角膜。

图5 3D打印水凝胶在角膜修复中的应用

3、水凝胶——健康监测的“传感器”

水凝胶还可以用于疾病的早期诊断。研究人员开发了一种基于水凝胶的生物传感器，能够检测体液中的生物标志物。这种传感器具有高灵敏度和特异性，可以在疾病的早期阶段检测到微小的变化，为早期干预和治疗提供依据。

科学家们开发了一种新型智能隐形眼镜，利用水凝胶中的双金属纳米催化剂实现了稳定、连续的血糖监测。在葡萄糖氧化酶的氧化还原反应之后，纳米催化剂促进过氧化氢的快速分解和纳米颗粒介导的电荷转移，通过纳米多孔水凝胶的快速溶胀而显著改善扩散。这种隐形眼镜具有高灵敏度、快速响应时间、低检测限、低滞后和快速传感器预热时间，能够实时监测泪液中的葡萄糖浓度，为糖尿病患者提供了一种无创且精准的血糖监测手段。相比传统的指尖采血或皮下植入式设备，这种隐形眼镜不仅减少了患者的痛苦，还提高了监测的便利性和准确性（图6）。在糖尿病兔子中，智能隐形透镜可以检测泪液中葡萄糖的含量，且结果与血糖仪和血糖监测设备测量的血糖水平一致。该结果为智能隐形眼镜的临床开发提供了数据支撑。

图6 水凝胶在泪液血糖监测中的应用

4、可穿戴的柔性电子皮肤

除了智能隐形眼镜，水凝胶还在可穿戴健康监测设备中展现出巨大潜力。它们被加工成柔性、透明的传感器，用于监测皮肤的温度、压力、湿度等生理信号。这些传感器不仅能够实时反馈人体健康状态，还能与智能手机等设备无线连接，实现远程健康监测。例如，基于水凝胶的电子皮肤可以模拟真实皮肤的触觉和温度感知能力，为机器人和假肢提供更自然的交互体验（图7）。

图7 有机水凝胶基湿度传感器示意图

另外，类皮肤电子学正在迅速发展，以实现可穿戴传感和软体机器人等多种应用。水凝胶作为一种柔软的生物材料，由于其拉伸性、润湿性、生物相容性和离子敏感性等独特的性能，在类皮肤电子领域得到了广泛的研究。这些特征可能会模糊软生物系统和硬人工机器之间的差距。同时，水凝胶被用于制造柔性能源收集设备，如：摩擦纳米发电机（TENG）。这些设备能够将机械能转化为电能，为可穿戴设备和小型电子设备提供能源（图8）。当然，类皮肤水凝胶装置的开发仍处于初期阶段，并面临着包括有限的功能性、低环境稳定性、差的表面粘附性和相对高的功耗（如离子传感器）在内的挑战。