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本文全面综述了酶基水凝胶的制备方法、结构特点，详细阐述其在生物传感器（如检测葡萄糖、尿素等）和医学领域（肿瘤治疗、伤口愈合等）的应用，展现出酶基水凝胶广阔的应用前景，对相关研究具有重要参考价值。
一、引言
酶在生物体的生命活动中扮演着极为重要的角色，参与细胞构建、组织再生等诸多过程，具有反应速率高、选择性强、成本效益高和可持续性等优点。然而，酶的结构相对脆弱，在强酸、强碱、高温或干燥等条件下容易失活，这使得将其融入合成材料面临挑战。
水凝胶是一种通过化学和物理交联形成的三维网络结构的聚合物材料，其高含水量为酶的催化功能提供了理想环境。水凝胶可分为合成聚合物、天然衍生聚合物、半合成聚合物和自组装超分子材料等类型，其聚合触发方式包括温度、pH、氧化态等多种因素。其中，酶触发的水凝胶制备具有生物相容性好、所得水凝胶均匀、反应条件温和等优势。
酶基水凝胶在生物传感器、环境监测、医学诊断等领域有着广泛应用，在细胞构建、再生医学、可穿戴电子设备、生物催化监测与调节以及药物递送等方面也展现出巨大潜力。
二、酶基水凝胶材料的制备方法和类型
近年来，水凝胶聚合物的制备取得了显著进展。除传统的光引发聚合、自由基聚合等方法外，非共价牺牲结构的引入也得到了广泛应用。
自由基聚合是制备聚合物水凝胶最常用的技术，而酶催化的自由基聚合被认为是一种环境友好且无毒的替代方法。例如，双张等人利用内源性 D - 氨基酸氧化酶（D - AAO）引发自由基聚合，温和地制备了可重塑的杂化聚合物水凝胶；清聪魏开发了一种新颖的一锅法制备双网络水凝胶的方法，同时实现了单体的聚合和低分子量凝胶剂（LMWG）的自组装。
除了使用辣根过氧化物酶（HRP）进行单酶催化外，利用多种酶促进凝胶化的方法也受到关注。如赛吉沈等人引入了一种使用 HRP / 葡萄糖氧化酶（GOx）双酶系统的水凝胶制备技术，形成了具有优异机械性能的复合水凝胶；明浩姚等人提出了一种创新的水凝胶制备技术，结合 HRP 和半乳糖氧化酶（GalOx）的催化反应实现交联，且无需直接添加 H2O2 。
纳米凝胶是具有纳米尺寸稳定性和亲水网络的材料，在体内生物应用中具有理想的流体样传输特性。贾琪苏介绍了一种受生物启发的纳米酶水凝胶，可通过口服减轻酒精摄入的负面影响；梅媛齐等人将生物相容性单体 N - 乙酰 - L - 赖氨酸聚合到纳米颗粒表面形成聚合物刷，进而构建金属配位聚合物纳米凝胶（MPGs），该纳米凝胶模仿了多种酶的活性。
三、酶基水凝胶传感器在检测中的应用
（一）负载酶的水凝胶传感器
水凝胶对 pH、温度、光、应变和电场等外部刺激具有高敏感性，且生物相容性优异，在传感和生物传感应用中取得了显著进展。在外部刺激下，水凝胶发生构象变化并产生可检测的响应信号。
负载酶的水凝胶传感器可用于多种物质的检测。例如，刘娜等人使用基于复合水凝胶的石英晶体微天平（QCM）传感器进行连续葡萄糖监测；冯张等人开发了负载辣根过氧化物酶（HRP）的水凝胶材料，该材料中固定化的 HRP 在 pH、温度和储存稳定性方面均有显著提高；穆罕默德?比拉尔等人制备的 HRP 负载水凝胶在 50℃和 70℃时的催化活性分别比游离酶提高了 1.6 倍和 4 倍；紫阳张等人报道了用于葡萄糖检测的负载葡萄糖氧化酶（GOx）的水凝胶，该水凝胶修饰在电极表面，通过电子转移检测葡萄糖，检测限为 1.116×10-2 μmol/L。
负载酶的水凝胶传感器还可用于监测高血糖伤口。英南朱等人开发了一种多功能两性离子水凝胶，能够同时检测伤口参数中的 pH 和葡萄糖波动；乌斯瓦图恩?哈桑纳等人报道了一种基于果胶的生物传感器，用于光学检测甘油三酯（TG）浓度；扬?埃夫坎普等人开发了一种通过将脲酶嵌入 pH 敏感的聚丙烯酸共聚物中来检测尿素水平的传感器。
此外，电化学传感器在生物标志物研究中具有优异的灵敏度、选择性和快速响应能力。近年来，将水凝胶特性、电化学方法和生物酶相结合以实现性能增强成为新的研究方向。例如，军艳等人将特定酶与金电极阵列精确偶联，制备的生物传感器阵列对葡萄糖和乳酸的检测表现出良好的线性响应和高灵敏度；罗伯托?巴雷塔等人将普鲁士蓝纳米颗粒和各种酶嵌入水凝胶膜并固定在电极表面，开发出用于快速检测血清中葡萄糖和乙醇的安培生物传感器；翔吾日森等人开发了一种自主移动生物传感器平台，能够通过基于阻抗的运动分析对尿素进行定量测定。
（二）基于水凝胶的人工酶传感器
人工酶是指具有类似于天然酶催化功能的合成或人造物质，它们能模仿天然酶在催化反应中的特定功能和机制，但并非真正的酶分子。
多种纳米材料如氧化石墨烯（GO）、碳纳米管、碳点、双金属合金纳米结构等被发现具有类酶活性。例如，子岩陈等人将铈基金属有机框架（MOF）纳米颗粒均匀嵌入水凝胶基质中，制备的先进水凝胶敷料不仅为糖尿病伤口愈合提供了理想的湿润环境和物理屏障，还具有中和过量活性氧物种（ROS）、抗菌、抗炎和监测血糖水平的功能；志诚施等人合成了三种不同形状的铈纳米颗粒（CeNPs），并评估了它们的类过氧化氢酶和类超氧化物歧化酶活性；玉玉马等人构建的 Fe3O4@COF - AuNP 纳米复合材料在鲁米诺 - H2O2反应中表现出高类过氧化物酶催化活性，可用于检测有机磷农药；浩李等人开发的 Fe3O4@COF - AuNPs 核壳纳米复合材料可用于灵敏检测三磷酸腺苷（ATP） 。
氧化石墨烯独特的理化性质使其在人工酶研究中备受关注。盛南楚等人合成的氧化石墨烯材料可用于比色检测纳摩尔水平的有机磷农药；南何等人设计的 FeS2@SNW - 1 类过氧化物酶纳米材料可用于构建检测谷胱甘肽（GSH）的荧光和电化学双信号传感器。
四、酶基水凝胶在生物医学中的应用
水凝胶因其优异的生物相容性和与生物组织相似的柔软、可变形特性，在生物医学领域有着广泛应用，如作为药物递送载体，实现药物的缓慢释放和靶向递送，增强治疗效果并减少副作用。酶基水凝胶在生物医学领域的应用也日益受到研究。
（一）负载酶的水凝胶在生物医学中的应用
负载酶的水凝胶是将酶分子整合到水凝胶基质中的凝胶材料，可增强酶的稳定性和储存时间，并通过改变水凝胶材料的性质来调节酶催化反应的速率和选择性。
在癌症免疫治疗方面，受中性粒细胞启发，酶介导的活性氧物种（ROS）增加可成为一种有前景的策略。例如，齐张等人组装的纳米凝胶可提高癌细胞内 H2O2水平，并将其转化为单线态氧（1O2），实现肿瘤治疗；清吴等人构建的核壳超分子杂化纳米凝胶可在肿瘤微环境中响应性地将内源性 ROS 转化为单线态氧，用于肿瘤治疗。
光热疗法（PTT）是一种有前景的癌症治疗方法，但过高的温度可能会损伤周围正常细胞。金东夏等人开发的负载葡萄糖氧化酶（GOx）的海藻酸盐水凝胶具有 pH 敏感的近红外二区（NIR - II）光热效应，可在温和温度下进行联合癌症治疗；晶晶胡等人报道的液态金属纳米颗粒 - 酶（LM@GOx）复合物用于肿瘤的联合饥饿 / 光热疗法，该复合物利用液态金属的光热转换能力增强 GOx 活性，提高治疗效果。
负载酶的水凝胶还常用于抗菌和促进伤口愈合。例如，杰松等人交联 GOx、VMOP - 2 和壳聚糖形成的 GVCS 水凝胶具有优异的抗菌活性，对革兰氏阴性菌（如金黄色葡萄球菌）和革兰氏阳性菌（如大肠杆菌）均有较好的抗菌效果，并在伤口感染治疗中显示出促进伤口愈合的潜力；培元王等人构建的负载葡萄糖氧化酶的粘性水凝胶喷雾可有效促进糖尿病伤口愈合。
（二）基于水凝胶的仿生酶在生物医学中的应用
基于水凝胶的仿生酶具有高催化活性、良好的稳定性和可重复使用性，在生物医学应用中具有广泛的潜力。其催化性能可通过调整材料的组成和结构进行精确调节，并且能在较宽的温度和 pH 条件下保持活性。
纳米二氧化锰（MnO2）晶体是具有优异类酶催化性能的纳米材料，其催化活性因晶体类型而异。国光陈等人合成了三种不同的 MnO2纳米晶体，其中 δ - MnO2表现出最佳的催化性能，并被封装制备成具有类过氧化氢酶活性的水凝胶材料，可抑制细菌生长并促进伤口愈合；晨曦涂等人将亲水性聚合物 PPGA 与 HBPL 修饰的 MnO2纳米片结合，构建了一种多功能水凝胶，该水凝胶可有效中和 ROS、产生氧气、增强 NO 生成，加速糖尿病伤口的恢复。
金纳米颗粒和石墨烯材料也常用于制备仿生酶。例如，利民尚等人将超声响应的透明质酸包裹 L - 精氨酸、超小金纳米颗粒和 Cu1.60 纳米颗粒与磷掺杂石墨相氮化碳纳米片（ACPCAH）融入水凝胶喷雾中，该水凝胶喷雾具有多种功能，适用于治疗糖尿病足溃疡；杨李等人将具有三重酶活性（模拟 SOD、CAT 和 POD）的 MoS2纳米片负载到碳纳米管上，并将其纳入多功能水凝胶中，该水凝胶可促进皮肤再生；真真王等人构建的 MnO2@PtCo 纳米花结构可在肿瘤细胞内有效产生活性氧物种（ROS），诱导细胞凋亡并抑制肿瘤生长。
此外，同时负载生物催化剂的基于水凝胶的仿生酶也有相关研究。慧媛白等人开发了一种具有纳米模拟酶和光热性能的可注射水凝胶，该水凝胶还负载了葡萄糖氧化酶（GOx），通过天然生物催化剂和模拟酶之间的级联反应消除细菌，加速细菌感染伤口的愈合。
五、结论与展望
酶基水凝胶材料在制备技术和应用领域都具有广阔的发展前景。在制备技术方面，酶交联水凝胶因其生物相容性、可控的机械性能和响应性而受到关注，利用氧化还原酶引发自由基聚合的方法以及通过酶催化原子转移自由基聚合（ATRPase）和金属配位交联制备纳米模拟多酶凝胶系统的研究不断推进。
在应用领域，酶基水凝胶在组织工程、检测、医学研究、生物成像诊断和疾病治疗设计等方面展现出巨大潜力。纳米酶集成了天然酶和纳米材料的功能，在恶劣条件下具有高稳定性、成本效益高、可控制备和可调催化活性等独特优势，在生物医学应用中前景广阔。
综上所述，酶基水凝胶材料在未来有望在各个领域发挥越来越重要的作用，随着研究的深入和技术的进步，其应用将不断拓展和深化。
