科学家们如何利用水凝胶技术改善人类健康？

本文中，小编整理了科学家们发表的多篇重要研究成果，共同解读科学家们如何利用水凝胶技术来改善人类健康？分享给大家！

【1】Nature子刊：新型水凝胶具有高粘性和药物载量 或能增强肌腱的愈合

doi：10.1038/s41551-021-00810-0

众所周知，肌腱损伤（tendon injuries）是一种常见病，损伤后肌腱功能无法完全恢复，并常伴有组织炎症和退变等并发症。虽然外科、康复、移植和药物等疗法已被用于治疗肌腱损伤，但肌腱愈合失败和持续疼痛等治疗缺陷仍然存在。提供机械支撑和持续性药物释放疗法的水凝胶（Hydrogels）已被用于治疗肌腱损伤。然而，大多数水凝胶存在坚韧性差，且需要细胞浸润或缝合才能与周围组织融合等局限性。因此，开发具有粘性面和高载药量的坚韧水凝胶增强肌腱愈合具有重要意义。

近日，哈佛大学和诺华公司的研究人员在Nature Biomedical Engineering期刊发表了题为：Enhanced tendon healing by a tough hydrogel with an adhesive side and high drug-loading capacity 的研究论文。该研究团队设计了一种称为 Janus Tough Adhesive（JTA）的坚韧粘性水凝胶用于治疗和预防肌腱损伤，研究表明JTA表现出增强组织黏附和促进周围组织的滑动特性，此外，JTA还可作为药物递送系统用于局部药剂释放。

研究团队首先对JTA的肌腱黏附强度和组织滑动特性进行研究。JTA与牛肌腱模型接触后，壳聚糖迅速扩散到肌腱表面并产生强粘附力，黏附随着时间的推移而增加。在猪原位模型中，JTA牢固的黏附到猪髌腱，屈肌腱和跟腱中，并与组织表面很好贴合。

【2】Biomaterials：中国科学家开发出新型水凝胶支架 或能在机体脊髓损伤后帮助促进神经再生！

doi：10.1016/j.biomaterials.2021.121279

脊髓损伤（SCI， Spinal cord injury）会产生一种炎性微环境，主要特点为损伤相关的分子模式（DAMPs）和免疫细胞的激活，这些都会加剧二次损伤并损害机体的神经系统的恢复；近日，一篇发表在国际杂志Biomaterials上题为“A DAMP-scavenging， IL-10-releasing hydrogel promotes neural regeneration and motor function recovery after spinal cord injury”的研究报告中，来自中国科学院苏州纳米技术与纳米仿生研究所的科学家们通过研究开发了一种新型多功能支架，其能在机体发生脊髓损伤后有效调节免疫微环境，并减少二次损伤的效应。

通过利用阳离子聚合物—聚酰胺（polyamidoamine）和抗炎性细胞因子—白介素-10（IL-10）来修饰光交联的明胶水凝胶，研究者发现，这种新型支架或能增强组织的重塑并促进脊髓中轴突的再生。脊髓损伤会引发轴突受损和神经细胞死亡，从而导致脊髓功能异常。脊髓损伤分为两个阶段，即原发性损伤和继发性损伤，而继发性损伤是由原发性损伤所引起的，其会持续数周时间；脊髓损伤所诱发的免疫细胞的浸润和激活会创造一种以损伤相关分子模式为特征的炎性微环境，从而就会加剧二次损伤以及神经性功能的恢复。

凭借能有效清除DAMPs以及持续释放IL-10的能力，这种双重功能的免疫调节水凝胶不仅能减少巨噬细胞和小胶质细胞的促炎性反应，还能增强机体神经干细胞的神经源性分化。在完全横断的SCI小鼠模型中，这种支架能够通过抑制细胞因子的产生来抵消炎性微环境的影响，并能帮助调节免疫细胞的激活，从而导致神经再生以及轴突的生长，且不会产生疤痕。

【3】Sci Adv：能够运输氧气的水凝胶或有望加速糖尿病伤口的愈合

doi：10.1126/sciadv.abj0153

非愈合的糖尿病伤口是糖尿病患者最常见的并发症，由于慢性缺氧会显著延迟伤口的愈合，因此，持续氧合作用以减缓缺氧被认为能促进糖尿病的伤口愈合，然而，目前的临床方法无法实现持续的氧合作用，包括高压氧治疗等。大约四分之一的糖尿病患者会出现疼痛的足部溃疡，由于血管受损和炎症水平增加导致伤口氧气水平较低，因此伤口会愈合地非常缓慢，而且这些损伤还会转化为慢性损伤，从而导致患者生活质量降低以及潜在截肢可能性的出现。

近日，一篇发表在国际杂志Science Advances上题为“Sustained oxygenation accelerates diabetic wound healing by promoting epithelialization and angiogenesis and decreasing inflammation”的研究报告中，来自华盛顿大学等机构的科学家们通过研究开发了一种水凝胶来向伤口运输氧气，这或许就能减少炎症水平，并帮助重塑组织及加速伤口愈合。

研究者所开发的水凝胶能利用微球体向伤口运送氧气，微球体能通过其表面上的一种酶将微球体内部的物质转化为氧气，并逐渐释放氧气与细胞发生相互作用；在大约两周的时间内，氧气就会被输送到伤口，炎症和肿胀水平就会减少，从而就能实现伤口愈合的促进。研究者Guan说道，输送的氧气有两方面作用，首先，其能在糖尿病伤口的低氧状态下改善皮肤细胞的存活率；其次，氧气能够刺激皮肤细胞产生用于伤口修复的生长因子。

人体内的组织需要氧气来生存，当组织受伤时更需要氧气来修复；目前有多种疗法能治疗糖尿病患者的慢性伤口，但最常见的疗法就是在高压氧舱中进行数十次治疗，但其治疗效果并不稳定，而且还会产生氧中毒的风险。在小鼠机体中，相比仅利用凝胶治疗或没有任何处理的伤口而言，利用含有释放氧气的微球体的水凝胶来处理伤口或会产生更大的闭合率，第16天时，利用水凝胶处理后的伤口尺寸已经减少到了10.7%，那些只用凝胶处理的伤口的尺寸则减少到了30.4%，而没有处理的伤口的尺寸则减少到了52.2%。此外，利用含有释放氧气的微球体的水凝胶治疗的伤口在第8天时表现为表皮最厚，但到第16天时表皮最薄，这表明伤口正在愈合，而且炎症水平也在减少。

一种基于生物反应性DNA水凝胶的无线传感器能够提供基于智能手机的伤口感染检测。

图片来源：Ze Xiong

【4】Sci Adv：科学家开发出一种新型基于水凝胶的传感器 或能检测机体发生的伤口感染！

doi：10.1126/sciadv.abj1617

无线技术和生物传感器的结合为检测和管理临床之外的医疗状况提供了一定的可能性，伤口感染就是一个重要的临床挑战，及时检测对于有效进行干预或治疗至关重要，但目前由于缺乏能够与伤口对接、检测致病菌和无线传输数据的检测技术而受到了阻碍。近日，一篇发表在国际杂志Science Advances上题为“A wireless and battery-free wound infection sensor based on DNA hydrogel”的研究报告中，来自新加坡国立大学等机构的科学家们通过研究开发了一种基于凝胶的传感器，其或能用来检测开发性伤口中所发生的感染，文章中，研究人员描述了其所开发的传感器以及当进行检测时这种传感器是如何发挥作用的。

目前手术部位的感染是住院患者最常见的感染类型，而检测这类感染的标准是通过目视检查或通过实验室培养来进行研究；前者只有在感染后才能够进行，而后者则需要一定的实验时间；这篇研究报告中，研究人员开发了一种新型传感器，其能被直接放置于伤口位点，并能给出合理的快速反应。

研究人员所开发的这种新型传感器是一种DNA水凝胶（DNA hydrogel），其能被特定类型的细菌所分泌的DNase酶所降解，水凝胶中所嵌入的电子装置能够测定水凝胶被降解的程度，如果其在特定参数范围内就能提示感染存在，这时候电子装置就会向智能手机发出警报，研究人员将其称之为“伤口无线感染检测”（WINDOW，wireless infection detection on wounds）。

【5】ACS子刊：我国科学家开发出新型血管生成水凝胶微球，有望治疗子宫内膜薄女性的不孕症

doi：10.1021/acsbiomaterials.1c00615

为了使胚胎存活，它必须在受孕的几天内附着在子宫内膜（endometrium）上。然而，如果子宫内膜太薄，胚胎就无法附着。如今，在一项新的研究中，来自中国深圳大学、九江学院、北京农学院、北京市畜牧总站和玉林师范学院的研究人员开发出一种基于甲基丙烯酸透明质酸（HAMA）的血管生成水凝胶微球，旨在治疗子宫内膜薄女性的不孕症。在这些微球中，他们的微小颗粒刺激了血管的生长，在细胞和小鼠的初步实验中产生了有希望的结果。相关研究结果于2021年8月20日在线发表在ACS Biomaterials Science & Engineering期刊上，论文标题为“Angiogenic Microspheres for the Treatment of a Thin Endometrium”。

子宫内膜内的不良血流限制了它的厚度，科学家们一直在努力寻找一种有效的方法来促进新血管的形成。一些人已经开始探索使用微球进行治疗。然而，目前制造这些微小颗粒的方法面临挑战，包括需要复杂、苛刻的生产方法，以及球体尺寸变化太大。因此，在这项新的研究中，这些作者希望设计出一种简单、高效的技术来制造均匀的微球，微球中装载的化合物被认为可有效地刺激血管生长。

为了配制他们的微小颗粒，这些作者寻找透明质酸，即一种已知有助于子宫内膜生长的物质。利用一种叫做微流控电喷雾的方法，他们产生了含有透明质酸的液滴，这些液滴的大小都非常相似，直径约为400微米。他们随后收集了这些液滴，并用紫外线处理使之粘在一起。通过操纵所形成的微球的成分，他们发现他们可以改变它们吸收和释放药物的能力。

【6】Science子刊：利用水凝胶递送CAR-T细胞可改善对实体瘤的治疗

doi：10.1126/sciadv.abn8264

当前，一种令科学家们兴奋的前沿癌症治疗方法涉及收集和重编程患者的T细胞---一组特殊的免疫细胞---然后将它们灌注会相同的患者体内，准备检测和摧毁癌细胞。尽管这种方法对诸如白血病之类的一系列血癌很有效，但在治疗实体瘤方面却很少成功。

如今，在一项新的研究中，来自斯坦福大学的研究人员开发出一种增强经过基因修饰的免疫细胞---称为嵌合抗原受体（CAR）T细胞（CAR-T）---的“攻击力”的递送方法。他们将CAR-T细胞和专门的信号蛋白添加到水凝胶---一种充满水的凝胶，具有与生物组织相同的特征---中，然后将水凝胶注射到肿瘤旁边。这种水凝胶在体内提供了一种临时的炎性微环境（inflammatory niche），在那里，CAR-T细胞增殖和激活以准备对抗癌细胞。这种水凝胶就像漏水的握笔，泵出激活的CAR-T细胞，以便随着时间的推移不断攻击肿瘤。相关研究结果发表在2022年4月8日的Science Advances期刊上，论文标题为“Delivery of CAR-T cells in a transient injectable stimulatory hydrogel niche improves treatment of solid tumors”。

研究者表示，Eric Appel说，“CAR-T细胞领域的很多研究工作都集中在如何制造更好的细胞本身，但对如何使细胞在体内更有效却关注得很少。因此，我们所做的完全是对设计更好细胞的所有努力的补充。”目前，静脉（IV）输注是CAR-T细胞的主要给送模式。在这种方法中，CAR-T细胞进入血液并流经整个身体。但是，这种方法对于治疗实体瘤并不理想，因为实体瘤通常很致密，存在于特定的位置，并且有躲避和抵御免疫细胞的防御措施。

【7】Sci Adv：构建水凝胶实现关节镜水压环境下软骨修复

doi：10.1126/sciadv.abg0628

近期，来自上海交通大学等机构的科学家们通过研究设计了一种超快、高强、强粘的杂化光交联（Hybrid Photo-Crosslinking）水凝胶技术。该水凝胶技术能够满足关节镜手术实施软骨缺损修复的苛刻要求，即在水压环境下实现光固化操作。通过该技术构建水凝胶支架材料负载自体软骨细胞，该团队成功实现了大动物（猪）负重区关节软骨缺损修复。相关工作以“Ultrafast， tough， and adhesive hydrogel based on hybrid photocrosslinking for articular cartilage repair in water-filled arthroscopy”为题发表在Science Advances。

关节软骨损伤是临床上最为常见的关节退行性疾病，发病率非常高，尤其是在中老年群体中。关节软骨损伤往往造成关节软骨的退行性病变，如骨关节炎，可以导致残疾、关节运动期间的疼痛以及骨关节的变形，不仅严重影响患者的生活质量，而且消耗了大量的医疗资源。软骨组织既没有神经支配也没有血管化，并且细胞密度极低，当外力造成软骨损伤时，机体缺乏必要的营养物质供应，导致软骨组织的修复再生能力十分有限。因此针对局限性软骨缺损的中度退变患者，临床上主要采用微骨折术或自体软骨移植术进行治疗。但是该类手术仅限于小范围的软骨缺损修复，其供体来源十分有限，且移植软骨与周围正常软骨整合欠佳。

【8】Science子刊：临床前研究表明注射新型水凝胶可修复和阻止心脏病发作后的心肌损伤

doi：10.1126/scitranslmed.aaz5380

在一项新的研究中，来自爱尔兰国立高威大学、西班牙巴利亚多利德大学和瑞典哥德堡大学等研究机构的研究人员开发出一种可注射的水凝胶，该水凝胶可以帮助修复和阻止心脏病发作后对心肌的进一步损伤。相关研究结果发表在2021年2月17日的Science Translational Medicine期刊上，论文标题为“Elastin-like recombinamers-based hydrogel modulates post-ischemic remodeling in a non-transmural myocardial infarction in sheep”。

心肌梗塞或心脏病是导致死亡的主要原因，这是因为心脏病发作时对心肌（心脏组织）造成了不可逆的损伤。心脏组织的再生能力极低，因此造成的损伤无法自行修复。目前的治疗方法无法有效地防止心脏病发作后的死亡和后续的心脏组织修复。

研究者Abhay Pandit教授表示，“这个研究项目涉及到一种基于弹性蛋白（elastin）的水凝胶的开发和测试，这种水凝胶来源于人体中天然存在的生物材料。”该水凝胶基于巴利亚多利德大学BIOFORGE实验室在寻找用于再生医学的先进水凝胶的过程中开发的一类独特的生物材料，称为弹性蛋白样重组体（elastin-like recombinamer）。他解释说，“这种水凝胶是为了模拟心肌梗塞后心脏周围的环境而开发的，然后定制化地具有保护和促进心脏组织再生的能力。”在有史以来的首次临床前研究中，对这种水凝胶多次注射到心脏组织中的治疗效果进行了评估，证明了它对心脏病发作后心脏组织重塑的功效。

图片来源：Jae-Won Shin and Sing Wan Wong

【9】Adv Sci：一种水凝胶沉积技术或能成功“诱骗”干细胞转化为特殊的机体细胞

doi：10.1002/advs.202001066

近日，一项刊登在国际杂志Advanced Science上的研究报告中，来自芝加哥伊利诺伊大学等机构的科学家们通过研究开发了一种特殊的方法，其或能精准控制水凝胶的沉积，水凝胶由水溶性的聚合物组成，通常在实验中用于支持细胞用于治疗性的目的，同时水凝胶还能模拟细胞外基质，即机体细胞所处的天然环境。

研究者表示，这种能在一分钟内为单一细胞分装水凝胶液滴的新技术还能被用来“诱骗”骨髓干细胞分化成为特殊类型的细胞；同时该技术还是对当前技术的改进，当前很多方法通常会以一种不受控的方式将大量水凝胶与细胞混合，这就会使得细胞与其周围环境之间进行相互作用而难以进行研究，而新型的水凝胶沉积技术就可以用于治疗目的，比如支持用于制造新型组织的干细胞等。

研究者Jae-Won Shin教授表示，大多数试验都会使用大量的水凝胶与细胞相互接触，这或许并不能反映机体中到底发生了什么，而这种水凝胶沉积技术则能使水凝胶和细胞的比例与人体中所观察到的一样，更重要的是能够精确控制单个细胞的比例。研究者观察到，干细胞在较薄的水凝胶液滴中要比在大体积凝胶中扩张地更快。

【10】Science子刊：新型水凝胶可阻止和治疗伤口感染

doi：10.1126/scitranslmed.aax6601

在一项新的研究中，来自瑞典隆德大学的研究人员开发出一种基于身体天然肽防御的新型水凝胶。它经证实可阻止和治疗伤口感染。这种新型水凝胶可杀死多重耐药菌，其中随着全球抗生素耐药性的不断增加，这一问题变得越来越重要。相关研究结果近期发表在Science Translational Medicine期刊上，论文标题为“A dual-action peptide-containing hydrogel targets wound infection and inflammation”。

研究者Artur Schmidtchen博士表示，从进化的角度来看，有效治愈伤口的能力是我们生存的关键。伤口中存在一些肽，这些肽可以防御细菌并阻止它们的毒素引起炎症。这种新型水凝胶基于这些自然防御机制，具有双重作用---既可以阻止伤口感染也可以治疗伤口感染。”

越来越需要新的疗法来改善伤口愈合并减少各种伤口（比如烧伤、手术伤口或其他不易愈合的伤口）患者的并发症。目前的治疗方法主要是针对细菌。患者预防性地或者遭受感染时接受抗生素治疗，并使用各种防腐剂。抗生素的广泛使用增加了抗生素耐药性的问题。当今，多重耐药菌感染已成为全球主要问题，它们无法用抗生素治疗。（生物谷Bioon.com）

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