综述：全多糖水凝胶的最新进展：合成、性质及生物医学应用

首页今日动态人才市场新技术专栏中国科学人云展台
BioHot
云讲堂直播会展中心特价专栏技术快讯免费试用

生物通官微
陪你抓住生命科技
跳动的脉搏

生物通首页 > 今日动态 > 正文

《Carbohydrate Polymers》：Recent developments in all-polysaccharide hydrogels: Synthesis, properties, and biomedical applications

【字体：大中小】 时间：2025年12月15日 来源：Carbohydrate Polymers 12.5

编辑推荐：

　　多糖水凝胶因其低毒性、可降解性和生物相容性成为理想的生物材料，综述了物理和化学交联策略及其性能调控，并总结了在药物递送、组织工程等领域的应用前景。

作者：Chisom Friday | Kevin Edgar

所属机构：美国弗吉尼亚理工大学化学系，布莱克斯堡，VA 24061

摘要

全多糖水凝胶因其良好的生物相容性、多功能性、低毒性、可生物降解性以及在特定情况下的适应性，以及较低的引发强烈免疫反应的倾向而成为有吸引力的生物材料。这类水凝胶还具备其他对生物医学应用有益的特性，如可注射性、自修复能力、可调的机械性能、对刺激的响应性，最重要的是，在降解过程中不会产生有毒副产物。为了实现这些潜力，研究人员通过添加各种官能团对多糖进行了改性，从而能够使用不同的方法制备出交联的全多糖水凝胶。本文综述了全多糖水凝胶的最新进展，包括物理交联和化学交联技术、水凝胶的性能以及调控这些性能的各种方法。此外，还总结了全多糖水凝胶在生物医学领域的应用，并提出了未来的发展方向。

引言

“水凝胶”一词最早出现在18世纪末，用于描述由某些无机盐合成的胶体凝胶（Dodda等人，2023年）。然而，首次报道具有水凝胶特性的材料是由Wichterle和Lim在六十年前制备的聚（羟乙基甲基丙烯酸酯）用于生物用途（Wichterle & Lim，1960年）。自那时起，这类材料得到了广泛研究，尤其是在生物医学领域（Kohar等人，2024年）。水凝胶是由亲水性聚合物通过物理或化学方法交联形成的三维（3D）网络，能够吸收大量水分同时保持不溶状态并维持其三维结构（Dreiss，2020年；Zhai等人，2024年）。水凝胶的聚合物结构通常带有亲水基团（如羟基、氨基、羧基和硫酸基）（Zhang等人，2017年）。尽管它们对水有很强的亲和力，但由于交联的聚合物网络的存在，水凝胶仍保持不溶性，这赋予了它们极高的有效分子量。因此，由于其柔韧、柔软和多孔的特性以及强大的吸水能力，水凝胶在结构上类似于活体组织（Ho等人，2022年）。

水凝胶因其多种有用特性而持续吸引科学界的关注，包括与生物组织的良好相容性、可设计为快速降解以及通常具有较低的毒性（Graham等人，2019年；Shi等人，2024年；Wang, Yu等人，2023年）。这些特性使得水凝胶在药物输送、蛋白质输送、基因传递（Kocaaga等人，2024年）、伤口愈合、组织工程（Aldakheel等人，2023年）、隐形眼镜（Childs等人，2016年）、智能设备和生物传感器（Gamboa等人，2023年）等生物医学应用中得到广泛应用。

目前，研究方向转向合成能够在室温下以液态存在并在注入体内后发生从液态到固态相变的水凝胶（Mathew等人，2018年）。这类水凝胶可以通过注射器轻松注入目标部位，仅需轻微的侵入性操作，从而减少副作用并提高治疗效果（Jin等人，2007年；Zhang, Zhang等人，2024年）。此外，自修复能力是现代水凝胶的重要特性，使它们能够从机械损伤或应力中恢复，重新获得原有的几何形状、结构和功能（Shi等人，2024年；Zhang, Zhang等人，2024年）。自修复功能通过动态的物理或化学相互作用实现（Devi V. K等人，2021年）。具有动态键的水凝胶能够自我修复，不仅延长了使用寿命和功能，还降低了维护和更换的成本（Devi V. K等人，2021年）。此外，通过引入对生理刺激（如pH值（Shi等人，2024年）、温度（Graham等人，2019年）和酶（Wang, Sun等人，2022年）响应的功能基团，可以调节水凝胶的性能，使其适用于靶向和可控的输送应用。

水凝胶可以由天然或合成聚合物组成，或其组合，其性能取决于来源（天然或合成）、聚合物网络类型（均聚物、共聚物或互穿网络）、形态（无定形或半结晶）以及交联方法（物理或化学相互作用）（Vasile等人，2020年）。多种多糖（PS）因其丰富性、低毒性、在多种条件下的生物相容性以及多种功能基团而被用于水凝胶的制备（Chen, Nichols等人，2020年；Kocaaga等人，2024年）。某些多糖还具有抗炎、免疫调节、抗菌或抑菌、抗肿瘤、抗糖尿病、止血或溶血等生物医学特性（Chaudhari等人，2021年；Mohammed等人，2021年）。

在设计用于生物医学应用的水凝胶时，通常需要考虑的关键特性包括体内可降解性、低毒性和与生物组织的相容性，因此所有水凝胶成分都应具有较低的毒性。需要注意的是，并非所有天然多糖都能在体内以可接受的速度降解（例如，人体内缺乏纤维素酶），而多糖衍生物在体内或环境中的降解速度也可能不同（Komarek等人，1993年）。因此，水凝胶的设计和聚合物选择至关重要（Chen, Nichols等人，2020年）。重要的是，大多数多糖不会引发强烈的免疫反应，这也是设计医用水凝胶时需要考虑的关键因素（Chen等人，2022年）。这使得全多糖水凝胶相比混合水凝胶（含有多糖和合成聚合物）或完全基于合成聚合物的水凝胶（大多数合成聚合物不可生物降解且可能与生物组织不兼容）以及使用有毒小分子交联剂制备的水凝胶更具优势。基于这些因素，研究人员采用了多种合成策略来制备全多糖水凝胶。

虽然已有关于基于多糖的水凝胶、其性能和应用的优秀综述（Berradi等人，2023年；Dattilo等人，2023年；Manzoor等人，2022年），但据我们所知，目前尚无专门针对全多糖水凝胶的综述（我们定义的全多糖水凝胶是指所有成分均来自多糖或其轻微改性的衍生物的水凝胶）。本文介绍了全多糖水凝胶合成方法的最新进展，首先介绍了物理交联方法，然后是化学交联方法，接着探讨了它们的性能和应用，最后总结了结论和未来展望。