三分鐘讀懂水凝膠
題記
隨著3D細胞培養、類器官研究、細胞治療、藥物靶向治療等領域的迅速發展，研究人員對一些化學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的具有三維網狀結構的高分子材料，受到廣大科研人員的青睞。水凝膠目前已經廣泛應用于多個領域，包括生物醫藥、組織工程和再生醫藥、農業領域、防腐領域等，為各領域的創新發展發揮重要作用，也是具有較大開發潛力的材料之一。今天就給大家總結水凝膠的基礎知識，快速了解下吧~
基本定義
水凝膠是由親水性聚合物鏈通過化學或物理交聯而形成的三維網絡。它可以充分吸水而不溶于水，自身顯著溶脹的同時仍可以保持其原有的三維結構。水凝膠含有大量的水，質地柔軟，性狀可塑，物理性質和生物組織類似，具有優異的生物相容性，可以搭載不同的材料，比如藥物、細胞、外泌體等，同時硬度可調節，是一類優秀的生物材料。或者說水凝膠材料比其它合成的生物材料更加接近于活體組織，性質上也類似于體內細胞的生存環境，即細胞外基質，且水凝膠在形成凝膠結構后，對周圍組織的摩擦或機械作用減小，生物學性能發生明顯的改善。
水凝膠產品的性質
01、溶脹性！
凝膠吸收液體后自身體積明顯增大的現象，這是彈性凝膠的重要特性，凝膠的溶脹分為兩個階段：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，過程快，并伴有放熱效應和體積收縮現象（凝膠體積的增加比吸收的液體體積小）。
02、環境敏感性！
根據環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、電場感應水凝膠、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型水凝膠指隨著環境pH的變化而發生變化。
03、粘附性！
兩個生物體表面之間形成任何結合，或是一個生物體的表面與另外一個天然或合成材料表面的粘結的總稱。
圖1 基于水凝膠的一些生物制造產品
水凝膠交聯方式
01、物理交聯！
主要指分子通過離子間作用、氫鍵、結晶化等形成水凝膠。離子間作用形成的凝膠結構可以在較為溫和的條件下進行，加入金屬離子通常會增強凝膠結構的強度。物理交聯形成的凝膠，一般是可逆的。
02、化學交聯！
主要指高分子鏈段間以共價鍵交聯起來。一般需要加入交聯劑，利用化合物發生加成、縮合之類的化學反應，彼此之間形成化學交聯，即得到凝固的水凝膠結構。化學交聯形成的凝膠結構，除非破壞化學鍵，一般是不可逆的。
圖2 觸發水凝膠形成凝膠結構的示意圖（A，內在觸發包括利用溫度變化、組分混合、pH變化、添加酶等來形成凝膠結構；B，間接觸發包括使用一些熱或光引發劑的激活來刺激形成凝膠結構）
水凝膠的主要應用
01、創傷敷料！
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程，并且代謝產物可以通過水凝膠排出，根據需要將不同藥物包埋在水凝膠內，可緩慢持續釋放到病變區，從而達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制，是由網格尺寸調控的。其中尺寸較小的藥物可以通過水凝膠快速擴散；藥物尺寸接近于水凝膠網絡尺寸時，藥物遞送減慢；藥物尺寸較大時，基本是包埋于水凝膠網絡中。可分為三種釋放途徑：網絡結構降解釋放藥物；網絡結構溶脹釋放藥物；網絡結構機械形變釋放藥物。
圖3 水凝膠網絡結構尺寸大小調節藥物釋放
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，適合人體組織結構。
圖4 體內水凝膠應用
04、保水抗旱！
人工合成的具有超強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百倍的脫離子水，數十倍至百倍的含鹽水分，控制土壤水分蒸發以滿足植物的生長需要、促進植物根系生長發育，同時改善土壤結構、增加土壤活性，減少土壤板結等。
TW VitroGel水凝膠介紹
美國TheWell公司專注于生物材料研發，為3D細胞培養和體內注射系統相關領域的研究提供先進的產品和服務。水凝膠VitroGel系統為多聚糖體系，無任何動物源成分，準確構建天然的細胞外基質環境，不可調節硬度的即用型或可調節硬度的高濃度型水凝膠可應用于3D細胞培養、類器官、血管生成、細胞侵襲、動物體內研究等。
圖5 VitroGel可調節型水凝膠（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用說明，請聯系逍鵬生物或登錄www.xpbiomed.com查詢。
參考文獻 ✦
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.
— END —
歡迎在文章下給我們留言或分享哦~
