最近超火的水凝胶是什么？

最近科研界有一种特别火的就是水凝胶了，什么是水凝胶呢？水凝胶hydrogel，以水为分散介质的凝胶，水凝胶是由亲水性聚合物链彼此交联而形成的三维网络。它可以充分吸水而不溶于水，自身显著溶胀的同时仍保持其原有的三维结构。

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水凝胶有多种分类方式。根据材料来源，可分为天然水凝胶（如透明质酸、胶原蛋白、海藻酸钠等）和人工合成水凝胶（如聚丙烯酰胺、聚乙二醇等），人体的许多组织（如肌肉、角膜、血管等）都可以归为天然水凝胶。根据交联方式，可分为物理交联水凝胶和化学交联水凝胶。前者由静电作用、氢键作用等交联而成，当外界条件改变时又可转回溶液状态，是可逆的；后者由化学键构建起三维网络，结构稳定，是永久不变的。根据环境响应情况，可分为传统水凝胶和智能水凝胶。后者可根据外界环境的刺激（如温度、pH、酶、磁场等）表现出不同的溶胀行为；前者则不具备这种能力。

水凝胶含有大量的水（可达90%），质地柔软，物理性质与生物组织类似，具有优异的生物相容性，同时其力学性质可调，是一类优秀的生物材料，在实际应用中已用作补齿材料、涂覆材料等。

智能水凝胶具有的环境响应特性，使其能够广泛应用于组织工程、给药体系、柔性传感器等领域中。在组织工程中，特定的细胞需要在合适的支架上培养为相应的器官，水凝胶的三维结构与许多组织的细胞外基质类似，因此是一种理想的支架材料。在给药体系中，智能水凝胶可用于药物缓释和定点释放，水凝胶可控的多孔结构使其能够轻松搭载多种药物，迁移运动至特定部位，受到pH、酶等环境刺激后产生不同的溶胀响应，从而以不同的速率释放药物。

水凝胶，一个应用非常广泛的领域，研究的深度非常值得去挖掘，水凝胶生物医学领域具有代表性的研究成果进行筛选，选出了5个具体例子，一起学习下吧。

Nature Materials
合成水凝胶促进广泛的类器官形态发生

洛桑联邦理工学院Matthias P. Lutolf等人设计了一种基于两种不同多臂PEG大分子单体交联的混合网络架构：一种是共价的，通过迈克尔加成，另一种是可逆的，通过三重氢键相互作用，并利用合成水凝胶促进广泛的类器官形态发生。

与传统的合成水凝胶相比，该混合应力松弛凝胶能够适应组织扩张和发育过程中发生的机械变化，而不受不可逆网络退化的影响。并且证明了此类水凝胶可以用于3D 类器官培养。设想这种动态凝胶将允许更精确的环境控制，以支持改进的类器官生长和形态发生。

Chrisnandy, A., Blondel,D., Rezakhani, S. et al. Synthetic dynamic hydrogels promotedegradation-independent in vitro organogenesis. Nat. Mater. (2021).https://doi.org/10.1038/s41563-021-01136-7

Nature Materials
高度可压缩的玻璃状超分子聚合物网络

英国剑桥大学Oren A. Scherman教授等人开发了一种果冻状材料，可以承受相当于大象站在上面的重量，并完全恢复到原来的形状，即使它有 80% 是水。材料的非水部分是聚合物网络，通过控制材料机械性能的可逆开/关相互作用保持在一起。

研究人员报道了具有缓慢、可调的解离动力学（kd>10 s−1）的非共价交联剂。所得到的玻璃状超分子网络的压缩强度高达100 MPa，即使在 12 次压缩和松弛循环中以 93% 的应变压缩时也不会断裂。值得注意的是，这些网络表现出快速的室温自恢复（<120 s），这可能有助于高性能软材料的设计。

Huang, Z., Chen, X., O’Neill, S.J.K. et al. Highly compressible glass-like supramolecular polymer networks. Nat. Mater. (2021).

DOI：10.1038/s41563-021-01124-x

https://doi.org/10.1038/s41563-021-01124-x

Nature BME
纳米银水凝胶，调节菌群增强免疫治疗

武汉大学张先正、孙志军等人报道了一种基于银纳米颗粒（AgNP）的水凝胶通过调节口腔微生物群来增强免疫治疗。

证明AgNPs可允许消化链球菌增殖，同时抑制竞争细菌的生长。在 OSCC 小鼠模型中，含 AgNP 的水凝胶 Agel 可持续粘附在口腔上并调节口腔微生物群。在补充消化链球菌后，该水凝胶对消化链球菌水平低的 OSCC 小鼠产生了显着的治疗效果。

Zheng, DW., Deng, WW., Song, WF. et al. Biomaterial-mediated modulation of oral microbiota synergizes with PD-1 blockade in mice with oral squamous cell carcinoma. Nat Biomed Eng (2021). https://doi.org/10.1038/s41551-021-00807-9

JACS
用DNA水凝胶，造一个水杯

天津大学仰大勇教授报道了一种由天然DNA和生物质衍生的离聚体制成的可持续生物塑料，并称其为DNA塑料。

研究人员提出了一种完全不同的冷冻干燥工艺，将物理交联的DNA水凝胶转化为可持续的DNA塑料，这是一种相对低能耗的工艺。可持续性涉及DNA塑料的生产、使用和报废选择的方方面面：i）原料来自生物可再生资源；ii）水处理战略是环保的，不涉及高能耗、有机溶剂的使用和副产品的生产；iii）实现可回收和非破坏性的使用，以显著延长塑料的使用寿命；iv）废塑料的处理遵循两种绿色路线，包括废塑料的回收和酶引发的可控降解。所开发的DNA塑料可以“水焊”形成任意设计的产品，如塑料杯

Jinpeng Han, et al, Sustainable Bioplastic Made from Biomass DNA and Ionomers, J. Am. Chem. Soc., 2021DOI: 10.1021/jacs.1c08888https://doi.org/10.1021/jacs.1c08888

Biomaterials
凝胶疫苗，何时释放最优？

近年来，一些可注射、基于支架的癌症疫苗被开发出来，其可以招募和激活宿主树突状细胞(DCs)并产生有效的抗肿瘤反应。然而，对于基于支架的癌症疫苗来说，递送佐剂（特别是常用的胞嘧啶磷酸二酯鸟嘌呤寡核苷酸(CpG-ODN)）的最佳时机在目前仍然是未知的。

鉴于此，哈佛大学David J. Mooney发现在最佳时机释放CpG-ODN能够增强免疫反应，并基于此设计了一个冷冻凝胶疫苗系统，其对于CpG-ODN的释放可以由超声进行触发。