水凝胶（Hydrogel），以水为分散介质的凝胶。具有交联结构的水溶性高分子中引入一部分疏水基团而形成能遇水膨胀的交联聚合物。是一种高分子网络体系，性质柔软，能保持一定的形状，能吸收大量的水。凡是水溶性或亲水性的高分子，通过一定的化学交联或物理交联，都可以形成水凝胶。
这些高分子按其来源可分为天然和合成两大类。天然的亲水性高分子包括多糖类（淀粉、纤维素、海藻酸、透明质酸，壳聚糖等）和多肽类（胶原、聚L-赖氨酸、聚L-谷胺酸等）。合成的亲水高分子包括丙烯酸及其衍生物类（聚丙烯酸，聚甲基丙烯酸，聚丙烯酰胺，聚N-聚代丙烯酰胺等）。
应用成果
1.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。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。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。
2.高度可压缩的玻璃状超分子聚合物网络
具有缓慢、可调的解离动力学（kd>10 s−1）的非共价交联剂，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。。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。
3.纳米银水凝胶，调节菌群增强免疫治疗
AgNPs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。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。
4.由天然DNA和生物质衍生的离聚体制成的可持续生物塑料
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。
5.基于水凝胶3D生物打印在组织工程中的应用
基于光聚合生物打印技术是以可光交联的的水凝胶材料为基体，以特定波长的光引发特定或整体位置水凝交联聚合从而构筑目标组织工程支架、模型等的一种打印方式。目前光聚合进行生物打印的方式主要包括立体术、双光子聚合技术及激光诱导转移技术。立体光刻(SLA)技术是第一种商业化的3D打印技术，光固化的水凝胶或其他聚合物溶液经紫外或激光的投照射，通过逐层的固化叠加形成所预先设定的模型 。双光子聚合技术是采用近红外飞秒脉冲激光作为光源分辨率高的三维结构模型，该技术具有良好的空间选择性，但双光子吸收要求特定的物质和极高的能量密度，光强达到一定值时，才会出现明显的双光子吸收效应 。激光诱导转移技术[图2(b)]是激光透明供体被涂上体、液体或黏贴层，当激光脉冲穿过供体载玻片并被涂层吸收，当入射能量超过某一特定阈值时，生物墨水材涂层中喷射出来，并别接收板接收，从而形成复杂的高分辨率2D和3D图案(10～100 μm分辨率)
结语
水凝胶是在水溶液中通过化学和/或物理交联而形成的三维网络聚合物。它们的高含水量，良好的生物相使周围细胞的炎症反应最小化，因此，水凝胶具有应用于生物医学领域的巨大潜力。此外，天然水凝胶常具有能性，且来源丰富，具有绿色环保的优点，如透明质酸具有免疫调节、抗菌、抗氧化等特性，壳聚糖具有抗炎的作用；而人工合成水凝胶的结构和功能可以根据应用需要进行调节，这些优势使水凝胶近些年受到很多生物域的研究者们的青睐，无论是在组织工程中还是作为药物载体，它都显示了独特且明显的优势。
但是，水凝胶的几个关键难点还一直未解决，具体包括：（1）水凝胶的临床医学应用还需要更严格的测试（2）水凝胶的力学性能还需要再增强，从而能应用到更多的领域（3）水凝胶配方与先进生物制造技术的结合需要进行严格优化，从而满足合适的生物制造需求（4）印制水凝胶结构可能是动态调节的，在材料设计的时候，需要考虑时间维度，形成4D打印。
尽管如此，研究人员相信，在不久的将来，随着技术和方法的不断进步，具有增强特性的水凝胶可以被制备出来。最终，工程水凝胶也会根据其需求和最优的设计，得到广泛的应用。
参考文献
[1]赵博文,张静,张琰.超弹性自修复导电水凝胶的制备及性能[J/OL].华东理工大学学报(自然科学版):1-10[2022-10-25].DOI:10.14135/j.cnki.1006-3080.20220616001.
[2]吴维,吴迪,马珊珊,汤春波.水凝胶在生物医学领域的研究进展[J].口腔医学,2022,42(09):831-837.DOI:10.13591/j.cnki.kqyx.2022.09.012.
[3]刘丰艺. GelMA/PAMAM-MA水凝胶的构建及其在骨和软骨缺损修复中的作用[D].重庆医科大学,2022.DOI:10.27674/d.cnki.gcyku.2022.000151.
[4]黄彪,林凤采,唐丽荣,卢麒麟,卢贝丽.功能性纤维素基水凝胶材料及其应用研究进展[J].林业工程学报,2022,7(02):1-13.DOI:10.13360/j.issn.2096-1359.202111033.
[5]周永辉,李尧,吴雨轩,田晶,徐龙权,费旭.一种新型光致发光自愈合水凝胶的合成[J].高等学校化学学报,2022,43(02):50-58.
编辑：杨振东
校对：崔圳、王风兴、邓涵、吕双杰
来源：高分子物理学