三分钟读懂水凝胶
随着3D细胞培养、类器官研究、细胞治疗、药物靶向治疗等领域的迅速发展，研究人员对一些化学或物理材料的研究深度不断提升。其中水凝胶作为一种以水为分散介质的具有三维网状结构的高分子材料，受到广大科研人员的青睐。水凝胶目前已经广泛应用于多个领域，包括生物医药、组织工程和再生医药、农业领域、防腐领域等，为各领域的创新发展发挥重要作用，也是具有较大开发潜力的材料之一。今天就给大家总结水凝胶的基础知识，快速了解下吧~
# 基本定义
水凝胶是由亲水性聚合物链通过化学或物理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可以保持其原有的三维结构。水凝胶含有大量的水，质地柔软，性状可塑，物理性质和生物组织类似，具有优异的生物相容性，可以搭载不同的材料，比如药物、细胞、外泌体等，同时硬度可调节，是一类优秀的生物材料。或者说水凝胶材料比其它合成的生物材料更加接近于活体组织，性质上也类似于体内细胞的生存环境，即细胞外基质，且水凝胶在形成凝胶结构后，对周围组织的摩擦或机械作用减小，生物学性能发生明显的改善。
水凝胶产品的性质
01、溶胀性！
凝胶吸收液体后自身体积明显增大的现象，这是弹性凝胶的重要特性，凝胶的溶胀分为两个阶段：第一阶段是溶剂分子钻入凝胶中与大分子相互作用形成溶剂化层，过程快，并伴有放热效应和体积收缩现象（凝胶体积的增加比吸收的液体体积小）。
02、环境敏感性！
根据环境的变化类型不同分为：温敏型水凝胶、pH水凝胶、盐敏型水凝胶、光敏型水凝胶、电场感应水凝胶、形状记忆水凝胶、非离子型水凝胶。其中温敏型水凝胶作为原位的药物传递较为有用。pH型水凝胶指随着环境pH的变化而发生变化。
03、粘附性！
两个生物体表面之间形成任何结合，或是一个生物体的表面与另外一个天然或合成材料表面的粘结的总称。
图1 基于水凝胶的一些生物制造产品
水凝胶交联方式
01、物理交联！
主要指分子通过离子间作用、氢键、结晶化等形成水凝胶。离子间作用形成的凝胶结构可以在较为温和的条件下进行，加入金属离子通常会增强凝胶结构的强度。物理交联形成的凝胶，一般是可逆的。
02、化学交联！
主要指高分子链段间以共价键交联起来。一般需要加入交联剂，利用化合物发生加成、缩合之类的化学反应，彼此之间形成化学交联，即得到凝固的水凝胶结构。化学交联形成的凝胶结构，除非破坏化学键，一般是不可逆的。
图2 触发水凝胶形成凝胶结构的示意图（A，内在触发包括利用温度变化、组分混合、pH变化、添加酶等来形成凝胶结构；B，间接触发包括使用一些热或光引发剂的激活来刺激形成凝胶结构）
水凝胶的主要应用
01、创伤敷料！
例如干型纱布，湿型水凝胶，PVP水凝胶是一种类似于生命组织的高分子材料，有良好的生物相溶性，不影响生命体的代谢过程，并且代谢产物可以通过水凝胶排出，根据需要将不同药物包埋在水凝胶内，可缓慢持续释放到病变区，从而达到治愈伤口或皮肤病的目的。
02、药物载体！
药物递送。水凝胶的药物释放机制，是由网格尺寸调控的。其中尺寸较小的药物可以通过水凝胶快速扩散；药物尺寸接近于水凝胶网络尺寸时，药物递送减慢；药物尺寸较大时，基本是包埋于水凝胶网络中。可分为三种释放途径：网络结构降解释放药物；网络结构溶胀释放药物；网络结构机械形变释放药物。
图3 水凝胶网络结构尺寸大小调节药物释放
03、组织工程支架材料！
组织填充材料，不吸收、不脱落、不碎裂，在弥散的环境下能很好保持水分，有较好的粘度，弹性和柔软度，适合人体组织结构。
图4 体内水凝胶应用
04、保水抗旱！
人工合成的具有超强吸水和保水释放能力的高分子聚合物，主要成分是聚丙烯酸盐（钾盐）和聚丙烯酰胺共聚体。能迅速吸收比自身重量数百倍的脱离子水，数十倍至百倍的含盐水分，控制土壤水分蒸发以满足植物的生长需要、促进植物根系生长发育，同时改善土壤结构、增加土壤活性，减少土壤板结等。
TW VitroGel水凝胶介绍
美国TheWell公司专注于生物材料研发，为3D细胞培养和体内注射系统相关领域的研究提供先进的产品和服务。水凝胶VitroGel系统为多聚糖体系，无任何动物源成分，准确构建天然的细胞外基质环境，不可调节硬度的即用型或可调节硬度的高浓度型水凝胶可应用于3D细胞培养、类器官、血管生成、细胞侵袭、动物体内研究等。
图5 VitroGel可调节型水凝胶（左图）；即用型水凝胶（右图）
TW VitroGel水凝胶FAQ
1、VitroGel水凝胶的成分是什么？
主要成分是多糖。
2、VitroGel水凝胶与其它市面上基质胶的区别是什么？
一是成分差别，VitroGel水凝胶是无动物源成分，其它基质胶多为鼠源肉瘤提取物，成分复杂。二是成胶原理，VitroGel水凝胶是离子成胶，其它基质胶多为温敏型成胶。三是操作方面，VitroGel水凝胶所有操作均在室温下进行，其它基质胶因受温度影响，所有耗材试剂等在操作时均要低温处理或在冰上进行。
3、VitroGel水凝胶如何回收细胞，回收的细胞可以用于哪些研究？
利用VitroGel水凝胶专用回收液，可以回收凝胶内的细胞，活率高，可以用于常规2D/3D细胞培养、细胞下游分析等。
*如需了解更多水凝胶应用说明，请联系逍鹏生物或登录www.xpbiomed.com查询。
参考文献 ✦
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.
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