復(fù)合水凝膠通過引入多元組分(如聚合物、金屬離子、納米材料)有效克服了單組分水凝膠機(jī)械強(qiáng)度不足和穩(wěn)定性差等局限,顯著提升了其結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、多功能性和響應(yīng)性。本文系統(tǒng)綜述了復(fù)合水凝膠的發(fā)展路徑,涵蓋聚合物基質(zhì)選擇、制備機(jī)制、功能調(diào)控策略及其在生物醫(yī)用領(lǐng)域的應(yīng)用前景,并指出未來需突破機(jī)械性能動(dòng)態(tài)匹配和臨床轉(zhuǎn)化標(biāo)準(zhǔn)化等關(guān)鍵挑戰(zhàn)。
水凝膠作為一類高度親水的三維聚合物網(wǎng)絡(luò)材料,因其優(yōu)異的生物相容性、可調(diào)節(jié)性及刺激響應(yīng)性,近年來在組織工程、藥物遞送、智能生物電子等領(lǐng)域得到廣泛關(guān)注。然而,單組分水凝膠常存在機(jī)械強(qiáng)度不足、穩(wěn)定性差等問題,限制了其在復(fù)雜環(huán)境中的應(yīng)用。為解決這些挑戰(zhàn),復(fù)合水凝膠應(yīng)運(yùn)而生,其通過引入多種聚合物、金屬離子以及功能性納米材料,賦予材料更優(yōu)的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、多功能性及響應(yīng)性。基于此,重慶醫(yī)科大學(xué)毛翔團(tuán)隊(duì)聯(lián)合哈爾濱工業(yè)大學(xué)賀良燦團(tuán)隊(duì)在《Small》期刊(IF=12.1)發(fā)表了題為《Innovations and Applications of Composite Hydrogels: from Polymer-Based Systems to Metal-Ion-Doped and Functional Nanomaterial-Enhanced Architectures》的綜述文章。該文章系統(tǒng)總結(jié)了當(dāng)前復(fù)合水凝膠的研究進(jìn)展、構(gòu)建策略及其在多學(xué)科交叉應(yīng)用中的創(chuàng)新成果。文章指出,未來復(fù)合水凝膠將朝著智能化、多功能化方向發(fā)展,并加速臨床轉(zhuǎn)化進(jìn)程,為精準(zhǔn)醫(yī)療和再生醫(yī)學(xué)提供關(guān)鍵材料支撐。作者們系統(tǒng)闡述了復(fù)合水凝膠的發(fā)展路徑:從基于天然與合成高分子基質(zhì)的體系,到摻雜金屬離子及功能納米材料的增強(qiáng)型結(jié)構(gòu)水凝膠,深入探討了其制備機(jī)制、功能調(diào)控手段以及在多種生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用前景。同時(shí),文章也明確指出,未來該領(lǐng)域需著力突破機(jī)械性能動(dòng)態(tài)匹配和臨床轉(zhuǎn)化標(biāo)準(zhǔn)化等核心挑戰(zhàn)。
殼聚糖水凝膠的制備和應(yīng)用。
隨著水凝膠材料在組織工程、藥物遞送與再生醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用,其基底材料的選擇愈發(fā)成為決定水凝膠性能與適應(yīng)性的關(guān)鍵因素。近年來,天然高分子水凝膠因其生物相容性優(yōu)異、結(jié)構(gòu)多樣、可降解性強(qiáng),逐漸成為復(fù)合水凝膠體系設(shè)計(jì)的核心構(gòu)建模塊。該團(tuán)隊(duì)重點(diǎn)聚焦兩類天然聚合物水凝膠:多糖基水凝膠與蛋白質(zhì)基水凝膠。這兩類材料不僅在結(jié)構(gòu)上具備良好的親水性與可加工性,更在生理環(huán)境中表現(xiàn)出優(yōu)異的生物功能性,廣泛用于細(xì)胞培養(yǎng)、傷口愈合、軟組織替代與智能藥物遞送等多種生物醫(yī)學(xué)場(chǎng)景。此外,現(xiàn)代制備技術(shù),如酶介導(dǎo)交聯(lián)、生物基熒光標(biāo)記與納米顆粒復(fù)合等,賦予多糖類水凝膠更多“智能屬性”,如可注射性、自愈性、可視化追蹤等,為其邁入臨床轉(zhuǎn)化打下基礎(chǔ)。
聚乙烯醇基水凝膠的制備和應(yīng)用。
在復(fù)合水凝膠構(gòu)建策略中,金屬離子與功能納米材料的引入已成為突破傳統(tǒng)水凝膠性能瓶頸的關(guān)鍵手段。它們不僅在微觀結(jié)構(gòu)上賦予材料更強(qiáng)的穩(wěn)定性與環(huán)境響應(yīng)性,更在宏觀層面大幅提升生物功能,推動(dòng)水凝膠在組織修復(fù)、靶向治療與智能診療等前沿領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用。金屬離子廣泛存在于生理環(huán)境中,天然參與細(xì)胞復(fù)制、蛋白合成、信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)等重要過程。將其引入水凝膠體系,不僅能夠提供基本的物理交聯(lián)位點(diǎn),還能賦予水凝膠生物活性、導(dǎo)電性、機(jī)械強(qiáng)度等多維功能。目前常用的金屬離子種類涵蓋Fe2?、Fe3?、Cu2?、Eu3?、Ag?、Zn2?、Mg2?、Ca2?等,功能各異,優(yōu)勢(shì)顯著。其中,Ag?因其卓越的抗菌能力,在感染性慢性傷口治療中被廣泛應(yīng)用;Cu2?與Eu3?則通過促血管生成顯著加快組織修復(fù)進(jìn)程;Zn2?、Mg2?和Ca2?在骨組織工程中具有良好礦化誘導(dǎo)能力,能夠調(diào)控巨噬細(xì)胞極化促進(jìn)骨再生。而Fe2?與Fe3?之間的可逆轉(zhuǎn)化機(jī)制,使其兼具光熱效應(yīng)與芬頓反應(yīng)能力,在腫瘤治療與抗菌清除中展現(xiàn)出獨(dú)特優(yōu)勢(shì)。此外,稀土元素Eu3?在熒光成像與抗菌方面也展現(xiàn)了良好應(yīng)用前景。通過調(diào)控金屬離子的種類、濃度與交聯(lián)方式,不僅可實(shí)現(xiàn)水凝膠物理性能的精細(xì)調(diào)控,還能建立起智能響應(yīng)性系統(tǒng),在靶向釋放、局部刺激、環(huán)境適應(yīng)等功能上發(fā)揮關(guān)鍵作用。然而,目前該方向仍面臨多重挑戰(zhàn),例如金屬離子的長期生物安全性、可控釋放機(jī)制、生物互作復(fù)雜性及免疫應(yīng)答影響尚不明晰,制約了其臨床應(yīng)用推廣,亟待深入機(jī)理研究與多中心評(píng)價(jià)體系建立。
光敏納米水凝膠的制備和應(yīng)用。
相較于傳統(tǒng)微米尺度增強(qiáng)填料,納米材料因其優(yōu)異的比表面積效應(yīng)與界面活性,在水凝膠增強(qiáng)中表現(xiàn)更為顯著。納米水凝膠作為一個(gè)蓬勃發(fā)展的子領(lǐng)域,充分利用納米材料與高分子網(wǎng)絡(luò)的協(xié)同效應(yīng),實(shí)現(xiàn)了水凝膠在結(jié)構(gòu)、功能與應(yīng)用維度上的全面提升。例如,磁性納米水凝膠通過引入Fe?O?等磁性納米顆粒,使其具備對(duì)外磁場(chǎng)的響應(yīng)性,實(shí)現(xiàn)藥物靶向釋放、磁引導(dǎo)細(xì)胞排列及三維結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)調(diào)控,極大拓寬了其在精準(zhǔn)醫(yī)療與組織工程領(lǐng)域的應(yīng)用邊界。熒光納米水凝膠則通過摻雜量子點(diǎn)或稀土摻雜納米顆粒,賦予水凝膠成像與追蹤功能,提升藥物釋放過程的可視化監(jiān)控能力,為智能診療一體化提供基礎(chǔ)支撐。在神經(jīng)組織工程與電子醫(yī)學(xué)交叉領(lǐng)域,導(dǎo)電性納米水凝膠成為重要材料類型。其通過摻雜碳納米管、MXene、PEDOT等導(dǎo)電納米材料,在維持水凝膠柔性與生物相容性的同時(shí),實(shí)現(xiàn)電刺激響應(yīng)性,可促進(jìn)神經(jīng)元黏附與軸突再生,構(gòu)建新型神經(jīng)修復(fù)微環(huán)境。此外,光敏納米水凝膠因摻入了特定光敏分子(如伊紅、聚吡咯、光敏MOF等),可在特定波長激光照射下實(shí)現(xiàn)局部升溫、藥物釋放或細(xì)胞響應(yīng),廣泛用于光控治療、細(xì)胞誘導(dǎo)與創(chuàng)面重建;生物活性納米水凝膠則借助酶、蛋白質(zhì)、寡肽等構(gòu)建仿生界面,精準(zhǔn)模擬細(xì)胞外基質(zhì)微環(huán)境,促進(jìn)干細(xì)胞定向分化與組織重建,特別適用于心肌、軟骨等高仿生修復(fù)場(chǎng)景。
綜上所述,復(fù)合水凝膠作為新一代智能材料,通過整合金屬離子、納米材料及生物活性分子,在力學(xué)性能、刺激響應(yīng)性和生物功能性上實(shí)現(xiàn)協(xié)同增強(qiáng),廣泛應(yīng)用于藥物遞送、組織工程和智能感應(yīng)。盡管在刺激響應(yīng)精度、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性(如力學(xué)強(qiáng)度不足、降解控制難)及臨床轉(zhuǎn)化方面仍存挑戰(zhàn),但隨著材料科學(xué)與生物技術(shù)的發(fā)展,其在個(gè)性化醫(yī)療、可穿戴設(shè)備及環(huán)境友好材料領(lǐng)域?qū)⒊掷m(xù)突破。集自愈、抗菌、感應(yīng)于一體的智能復(fù)合水凝膠,將成為推動(dòng)醫(yī)療與環(huán)境技術(shù)革新的重要力量。
原文鏈接:https://doi.org/10.1002/smll.202503147
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