什么是水凝胶？

水凝胶生物相容性、生物可降解性、高吸水、保水的特性使其广泛适用于环境工程、柔性传感、电化学等许多领域，尤其是生物医学领域，包括组织工程、药物输送系统、伤口敷料、生物传感器、隐形眼镜、人工细胞等，有着广泛的应用。

（1）医用敷料

▲图1:医用敷料

外伤及外伤感染是医院的多发病例，医用敷料可充当保护屏障，用来覆盖伤口，吸收伤口渗出液体，帮助创面愈合。水凝胶具有良好的柔韧性和生物相容性，其制作的敷料吸收液体性能好，能够为创面创造一个利于组织再生的湿润环境，凝胶滑弹状态可有效地避免了伤口黏连造成的二次伤害，因此成为医用敷料的**选择。

（2）药物输送

▲图2：药物输送图

药物输送系统是利用材料作为载体或介质，与药物结合后进入人体使药物分子在人体内持续缓慢地释放，从而达到治疗疾病的目的。

水凝胶具有储存药物、控制药物释放速度和驱动释放的功能，既能调节制剂的硬度和强度，又具有促进分解的作用，还能遮蔽医药品的气味，在药物释放载体领域具有较大的应用潜力。

（3）牙龈再生

牙髓再生是运用组织工程学的原理，将牙髓干细胞在体外培养后植入生物相容性良好且可以被吸收降解的生物支架上，诱导牙髓干细胞形成牙髓-牙本质复合体和类牙髓样组织，修复受损牙髓组织并恢复其生理功能。

水凝胶可以制备成可注射剂型，在凝胶化前可通过注射的方式使液体充分填充髓腔和根管，发生凝胶化反应后，形成的水凝胶与周围组织密切贴合，非常适合在牙髓再生研究中应用。另外。水凝胶包封细胞后发生溶胶-凝胶转化，可使细胞在凝胶内部分布较为均匀，可能解决牙髓再生中外源细胞难以深入根管内支架深部的问题。

（4）心脏修复

心肌梗死是威胁人类健康的重大疾病之一，心肌梗死后大量心肌细胞发生坏死并形成瘢痕，导致心力衰竭。采用直接心脏移植来进行心脏修复治疗，受供体数量、排斥反应等影响，成功率低。因此，采用细胞移植进行心脏修复是治疗心力衰竭的更有效方法，但移植后细胞的低滞留率和低存活率大大限制了其在临床的推广应用。

水凝胶可以由多种天然或合成衍生聚合物构成，并组装成高含水量的三维聚合物网络。这些特点使水凝胶能够模仿细胞外基质环境作为细胞移植的载体，促进细胞存活、增殖、分化和迁移，促进组织再生。可注射水凝胶为移植细胞提供较好的生存环境，除了满足生物相容性、低免疫原性、高渗透性及可调机械性能，还可经导管输注到心肌进行微创治疗，是心脏组织工程的重要组成部分。

（5）神经修复

▲图3：神经修复图

周围神经损伤（PNI）导致轴突连续性中断、远端神经纤维退化和神经元死亡，引起患者运动、感觉等自主功能丧失，严重影响患者正常生活。治疗PNI 的传统外科手术方法是用自体神经和人造生物材料进行桥接修复，但自提神经来源受限且尺寸不匹配等原因限制其应用。组织支架可作为神经细胞生长的载体和神经药物高效输送的平台，可克服自体神经问题用于治疗神经修复。

天然高分子水凝胶是一类高生物相容性材料，与人体细胞外基质环境相近，是近年来应用于神经修复的热点医用材料。其硬度和粘弹性等力学性能与人体神经组织相近，膨胀后构建的致密三维结构可促进神经生长，承载生物活性物质可以制备具有药物缓释功能的水凝胶神经组织支架。另外，天然高分子水凝胶可作为细胞培养平台，定向排列细胞，促进神经轴突生长，弥补受损神经间隙，从而修复周围神经损伤。

（6）骨修复

▲图4：骨修复图

衰老、疾病、创伤等多种因素引起的骨缺损对人体产生极大的危害，因此需要有效的治疗方法实现骨组织的修复和再生。骨移植是治疗骨缺损的重要手段，然而骨移植材料来源匮乏、异体骨移植的供体骨组织不健全、感染与并发症风险等，使骨移植的应用受到限制。

刺激响应型水凝胶含有普通水凝胶的优点，能够感受温度、光照、PH 和磁场等外界物理化学刺激，进而在三维形状、固液相态等性质上触发转变，产生可注射性、自愈合性、形状记忆等性能，可用于搭载活性细胞及细胞生长因子并植入缺损组织，实现骨组织损伤修复和功能重建。

（7）脊髓损伤修复

脊髓损伤（SCI）会导致受损脊髓以下神经功能障碍，引起感觉或运动能力的部分或全部丧失，患者多遗留四肢瘫痪、顽固性神经痛等严重后遗症。间充质干细胞（MSCs）移植是治疗脊髓损伤的重要手段，但细胞移植后的低存活率限制其在临床上的进一步应用。

水凝胶材料因其良好的生物相容性、生物降解性被广泛应用于组织工程。MSCs 与水凝胶联合应用时，水凝胶能够稳定病变部位炎症环境，同时负载 MSCs 将其原位递送到损伤区域进行修复，并为受伤组织的再生提供适宜环境，在 SCI修复方面有良好的应用前景。

（8）骨关节炎软骨损伤修复

▲图5：骨关节炎软骨损伤修复图

骨关节炎是一种退行性病变，软骨组织的慢性炎症通过免疫反应等机制导致软骨损伤。由生物支架、种子细胞和有利的生长因子组成的组织工程发展成为最有前途的软骨组织修复策略，但移植种子细胞后，细胞外基质由于支持不足及炎症造成大量细胞死亡，软骨修复达不到预期的效果，所以要求生物支架应具有生物相容性和生物可吸收性，同时可支持细胞生长和分化，提供适应的机械环境并允许细胞营养物质的运输。

水凝胶作为交联亲水性聚合物是生物医学领域重要的生物材料，具有优异的生物相容性，可导致最小的炎症反应和组织损伤。透明质酸遍布于结缔组织、上皮组织和神经组织，是细胞外基质的重要组成部分，有助于细胞增殖和迁移。因此，结合两者优势的透明质酸水凝胶具有良好的生物相容性、生物降解性和低免疫原性，在骨性关节炎的软骨修复中得到了广泛应用。

（9）医用植介入

水凝胶介入疗法是水凝胶在生物医学领域里的一种崭新的应用。通过水凝胶的界面原位聚合技术，在血管内表面形成一层薄薄的水凝胶涂层，从而隔离血液与受伤血管壁的接触，抑制血小板沉积、血栓形成和新生内膜扩增。

另外，生物活性水凝胶涂层可通过引入生物活性因子，促进血管内皮愈合，从而恢复血管的正常功能。

（10）生物监测

▲图6：生物监测图

通过将导电填料与不同类型的聚合物基质结合在一起，可以合成出多种类型的导电聚合物水凝胶。导电水凝胶作为一种新型功能凝胶材料，受到了研究者的青睐，科学家使用导电水凝胶开发了电容传感器来应用于监测人体活动。实验结果表明，导电水凝胶电容传感器对不同力度的手指触碰和不同程度的手指弯曲形变都表现出灵敏的响应行为。

（11）环境污染物去除

▲图7：环境污染物去除流程图

水污染和清洁水稀缺是全球环境面临的重要问题。从污水中消除有害的污染物对维持生态平衡和实现可持续发展具有重要的现实意义。水凝胶是一种具有三维交联网络结构和高含水率的亲水高分子材料。通过引入含氧，氮和硫官能团和无机填料（石墨烯，粘土，碳纳米管等）制成的生物基水凝胶具有独特性物理化学性质，它将通过静电和氢键等作用对环境污染物表现出优异的吸附性能。