《AM》综述：刺激响应性纳米复合水凝胶在生物医用领域的应用

材料化学快讯

在当今医学领域，当组织的活性或完整性受到老化受伤等因素的影响时，修复其生物功能仍是极具挑战性的。为了解决这些难题，寻求更先进的生物工程策略来人工模仿甚至完全恢复天然组织的功能性尤为重要。目前的生物材料主要以膜、海绵、纤维、水凝胶、微纳米粒子等形式呈现，其中水凝胶和纳米粒子（NP）由于结构设计和刺激响应性编程的灵活性而受到更广泛的关注。

此外，尽管水凝胶能作为支架材料促进组织形成，并能够再现天然细胞外基质的关键特征，但其亲水的多孔结构会显著降低疏水活性成分的封装性能甚至无法控制药物释放，而NP对于亲/疏水分子都有较好的封存能力，且能实现多种刺激响应性，但其在关键部位的非特异性积聚、缺少物理支撑等特点也限制了NP的应用。考虑到两种材料的优缺点，目前有不少研究开始将水凝胶和NP结合来制备纳米复合水凝胶，并向其中加入多种刺激响应成分来制备复杂的双功能体。基于此，阿威罗大学的J. F. Mano教授等人总结了目前关于纳米复合水凝胶在生物医用领域的研究进展，并从存在形式和应用两方面概述了有不同响应性能的纳米复合水凝胶的发展情况。

图1. 刺激响应型纳米复合水凝胶对内外刺激输入动态反应的过程。

[内容解读]

1.纳米复合水凝胶的设计和组装方式

纳米复合水凝胶指含有纳米材料的水化聚合物网络，能通过非共价相互作用或共价连接组装形成。独立式体系中只需其中一个模块间有相互作用，另一成分作为网络填充成分，通过自交联形成更牢固的体系；而共依存体系的组装需要有水凝胶-NP间的相互作用，得到的复合凝胶可能是两成分的加和或协同作用。复合体系的组装方式通常分为四种：（1）水凝胶前驱液加在预组装的NP悬浮液中进行交联，使粒子在支架中预分布；（2）水凝胶交联后原位形成NP；（3）水凝胶交联后，预组装的纳米粒子向内扩散；（4）通过纳米粒子作为基质/网络交联剂组装的共依存水凝胶。

2.刺激响应型纳米复合水凝胶的设计方案

NP和水凝胶的结合能形成性能优异的体系，通过刺激响应能将性能进一步扩展。通常复合水凝胶可以解构成NP或水凝胶基质等核心成分，作为材料中的刺激响应或效应模块，在识别后以输出形式引起体系变化。

除了对单刺激产生响应，生物系统还能配备多种受体对不同的刺激输入作出反应，并根据组成来识别和处理不同数量的刺激并将其作为初始输入信号，而纳米复合水凝胶的多组分和分级结构也有利于通过结合水凝胶基质和NP来编码多种刺激响应。开发这种多刺激反应体系对于改善体内药物运输的敏感性和顺应性至关重要。

此外，和活细胞类似，部分NP也能利于自身的转化能力作为智能转化成分，通过转换结点将多种刺激有序连接，并通过NP刺激传感器对很多曾经无法识别的刺激做出响应。目前的刺激转换结点大多来自作为天然刺激传感器的纳米材料或能承载刺激转换特性的NP。而根据所识别的刺激，响应分为单向和双向两种模式。

图2. 刺激响应型纳米复合水凝胶的设计策略。

3.刺激响应型纳米复合水凝胶的生物医用性能

由于设计的灵活性和对内外刺激广泛的响应性，纳米复合水凝胶显著促进了生物医学领域的进步。常见的体内刺激包括对氧化还原反应、酶、葡萄糖、温度、pH等响应；常见的体外刺激包括对热、光、磁等响应。

图3. 透明质酸基纳米复合水凝胶利用透明质酸酶在感染伤口时的过度表达。

图4. 磁响应型纳米复合水凝胶的按需给药过程。

[结论与展望]

与静态平台相比，刺激响应型纳米复合水凝胶对于开发复杂的生物功能平台有更明显的优势，正如本文所述，NP和水凝胶结合的产物显示了优异的设计和组装灵活性，以及对生物医学性能的增强。但无论其潜力和发展焦点多么引人关注，这种复合材料目前还未获得监管部门批准在医疗保健使用，如何克服从实验室到临床之间的障碍，仍是研究中所面临的重大挑战。

原文链接：

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.202005941

2. 香港中文大学边黎明【高分子学报特约专论】：可注射水凝胶设计及其在再生医学中的应用

3. 《Chem. Rev.》：自组装肽EAK16和RADA16纳米纤维支架水凝胶

4. 《Biomaterials》：受体酪氨酸激酶响应释放抑制剂的超分子水凝胶用于延缓卵巢衰老

5. 周峰/贺曦敏《Sci.Adv.》:水凝胶也能提供高弹力，从可逆化学键中寻找人工肌肉的新机遇

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