綜述:自修復水凝膠在生物醫學工程中的制備與應用現狀及未來發展

《European Polymer Journal》:Current status and future developments in preparation and application of self-healing hydrogels for biomedical engineering

【字體: 時間:2025年05月22日 來源:European Polymer Journal 5.8

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 。ň庉嬐扑])本綜述系統梳理了自修復水凝膠(Self-healing hydrogel)在慢性傷口治療中的突破性進展,重點解析其三維網絡結構、動態鍵合機制(動態共價鍵/非共價鍵)及多功能集成(抗菌、抗炎、促血管生成),為開發生物相容性(Biocompatibility)與機械穩定性兼備的新型敷料提供理論支撐。

  

Abstract
自修復水凝膠作為一種新型生物材料,憑借獨特的三維網絡結構可吸收大量傷口組織液,其優異的生物相容性(Biocompatibility)和生物降解性(Biodegradability)使其成為理想傷口敷料。無需外界干預的自修復能力不僅延長材料壽命,更凸顯其醫學應用潛力。本文聚焦自修復水凝膠的結構設計、分類體系、性能優化及醫療應用的最新研究進展。

Introduction
皮膚損傷引發的慢性傷口(如糖尿病足潰瘍)因復雜發病機制和高感染風險,傳統敷料(棉紗等)存在干燥、粘附性差等缺陷。自修復水凝膠通過多孔結構維持傷口濕潤環境,其負載功能分子(如Phellinus igniarius多糖)可實現抗菌、清除活性氧(ROS scavenging)等協同治療。Wang團隊開發的多功能水凝膠更兼具促血管生成(Pro-angiogenic)特性,Fu團隊則實現2800%拉伸率和0.3秒超快自修復(Electric healing)。

The classification of self-healing hydrogels
按原料來源分為三類:

  1. 天然水凝膠:以膠原(Collagen)、殼聚糖(Chitosan)等為主,雖具生物相容性但機械強度低;
  2. 合成水凝膠:如聚乙二醇(PEG)基材料,結構可控但生物活性不足;
  3. 復合水凝膠:結合天然/合成材料優勢,如明膠-聚丙烯酰胺(Gelatin-PAAm)體系,通過動態亞胺鍵實現自修復。

Preparation of self-healing hydrogel
關鍵制備策略包括:

  • 物理交聯法:氫鍵、疏水作用構建可逆網絡;
  • 化學交聯法:動態二硫鍵(Disulfide)、硼酸酯鍵(Boronic ester)賦予材料自愈性;
  • 光引發聚合:紫外光固化實現空間精確控制,適用于載藥敷料制備。

Properties of self-healing hydrogels
核心性能指標:

  • 吸水率:孔隙率>90%可吸收20倍自重液體;
  • 機械強度:彈性模量(Elastic modulus)需匹配人體軟組織(1-100 kPa);
  • 自愈效率:動態鍵重組實現>95%性能恢復;
  • 抗菌性:整合銀納米粒子(AgNPs)或抗生素實現廣譜抑菌。

Application
在糖尿病傷口治療中,負載胰島素(Insulin)的水凝膠可緩釋藥物并促進上皮再生;作為神經導管材料時,導電水凝膠(含聚苯胺/PANI)能傳遞電信號加速軸突生長。

Summary and prospect
未來需突破材料長期穩定性與大規模生產的矛盾,探索4D打。4D printing)等智能制備技術。通過機器學習(Machine learning)優化動態鍵組合,有望實現按需定制的"下一代智能敷料"。

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