水凝胶在生物医药领域的十大应用！

水凝胶（Hydrogel）是以水为分散介质的，具有三维空间网络结构的体系，其性质柔软，可保持一定的形状，吸水能力强（水含量可高达99%）。另外水凝胶还具有良好的生物相容性、生物降解性等，在生物医药领域应用广泛，如药物释放、医用敷料、牙龈组织再生、骨修复等，是未来最具潜力的医用材料之一。

水凝胶分类

根据水凝胶对外界刺激的应答情况，可以分为为传统水凝胶和环境敏感的水凝胶两大类两类：传统水凝胶对环境的变化相对不是很敏感；敏感水凝胶自身能感知外界环境微小的变化或刺激, 产生相应的物理结构和化学性质变化甚至突变，有温度敏感型水凝胶、pH敏感性水凝胶、光敏感性水凝胶和压力敏感性水凝胶等几类。这类水凝胶材料由于对于不同的环境条件有不同的应答表现，具有良好的的科研和市场应用前景。

根据水凝胶网络键合不同，水凝胶也可分为物理水凝胶和化学水凝胶。物理凝胶是通过物理作用力如静电作用、氢键、链的缠绕等形成的。化学凝胶是由化学键交联形成的三维网络聚合物。

根据合成材料的不同, 水凝胶又分为合成高分子水凝胶和天然高分子水凝胶。

水凝胶在生物医药领域的应用特性分析

1、生物相容性

生物相容性是生物材料与人体之间相互作用产生各种复杂反应的概念，水凝胶的生物相容性研究开始于20世纪60年代。研究学者们通过向实验体体内注射水凝胶，用于治疗骨关节损伤等，未出现炎症反应等，证实了水凝胶良好的生物相容性。

2、生物降解性

生物可降解材料是指通过与生物学环境相互作用，经一系列反应后，材料可逐渐降解成单体或低分子量化合物的材料。医用植介入治疗和体内药物输送是目前医疗领域的重点关注，是前沿医疗技术之一，但是介入材料的排异和药物输送系统的难代谢等带来严重的安全问题。水凝胶作为生物相容性良好的材料，通过改性或复合手段可制得具有生物降解性的高性能水凝胶，多项实验证明水凝胶具有生物降解性且无炎症发生，证实其在植介入和药物输送有巨大的应用潜力。

3、高吸水、保水性

水凝胶存在交联网络，因此可以溶胀和保有大量水，其水含量可高达99%。用水凝胶制作的医用敷料在吸收伤口渗出液的同时保持湿润环境，不会造成与伤口粘连带来二次创伤，且水凝胶吸液量大，不用频繁更换。另外，水凝胶表面光滑且有高弹性，用作敷料时，能与伤口紧密贴合不粘连，减少细菌接触，是目前最新进的医用敷料。

水凝胶在生物医药领域应用详解

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，水凝胶因其特有性能在生物医药领域大放异彩！

1、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。

2、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。

3、牙龈再生

牙髓再生是运用组织工程学的原理，将牙髓干细胞在体外培养后植入生物相容性良好且可以被吸收降解的生物支架上，诱导牙髓干细胞形成牙髓-牙本质复合体和类牙髓样组织，修复受损牙髓组织并恢复其生理功能。

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。

4、心脏修复

心肌梗死是威胁人类健康的重大疾病之一，心肌梗死后大量心肌细胞发生坏死并形成瘢痕，导致心力衰竭。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。

水凝胶可以由多种天然或合成衍生聚合物构成，并组装成高含水量的三维聚合物网络。这些特点使水凝胶能够模仿细胞外基质环境作为细胞移植的载体，促进细胞存活、增殖、分化和迁移，促进组织再生。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。

5、神经修复

周围神经损伤（PNI）导致轴突连续性中断、远端神经纤维退化和神经元死亡，引起患者运动、感觉等自主功能丧失，严重影响患者正常生活。治疗PNI 的传统外科手术方法是用自体神经和人造生物材料进行桥接修复，但自提神经来源受限且尺寸不匹配等原因限制其应用。组织支架可作为神经细胞生长的载体和神经药物高效输送的平台，可克服自体神经问题用于治疗神经修复。

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。其硬度和粘弹性等力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。

6、骨修复

衰老、疾病、创伤等多种因素引起的骨缺损对人体产生极大的危害，因此需要有效的治疗方法实现骨组织的修复和再生。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。

7、脊髓损伤修复

脊髓损伤（SCI）会导致受损脊髓以下神经功能障碍，引起感觉或运动能力的部分或全部丧失，患者多遗留四肢瘫痪、顽固性神经痛等严重后遗症。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，在 SCI修复方面有良好的应用前景。

8、骨关节炎软骨损伤修复

骨关节炎是一种退行性病变，软骨组织的慢性炎症通过免疫反应等机制导致软骨损伤。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，所以要求生物支架应具有生物相容性和生物可吸收性，同时可支持细胞生长和分化，提供适应的机械环境并允许细胞营养物质的运输。

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。

9、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。

10、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。

小结

水凝胶作为新型功能材料，因柔韧、高吸水保水性、生物相容性好等特点，加之研究学者们通过改性、复合等手段赋予其特定性能，使得水凝胶及其衍生物在医药领域的应用越来越广泛，目前主要应用于伤口敷料、药物输送和组织修复等领域，但水凝胶材料存在力学性能较低、组织粘附力弱等不足。

在未来的研究中，针对生物医用领域，水凝胶可考虑从以下三方面深入研究：第一，提高力学性能满足其在组织工程的应用需求；第二，深入与其它材料复合改性研究，开发更优性能（如快速降解、生物相容等）应用于医学领域；第三，结合新型成型手段，如3D打印技术，制备出个性化的水凝胶。

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