综述：功能性水凝胶作为生物医学材料的近期进展

这篇综述系统总结了功能性水凝胶在生物医学领域的最新研究进展与挑战，重点探讨了其在体外模拟（如3D细胞培养、类器官构建）和体内应用（如软组织填充、伤口敷料、组织修复支架）中的多功能特性。文章详细分析了天然聚合物（如胶原、Matrigel）、合成聚合物（如PEG）及复合水凝胶（如纳米复合、3D生物打印）的优缺点，并展望了结合微流控、3D打印等技术在个性化医疗中的潜力。

　　

功能性水凝胶的生物医学应用进展

1. 引言

水凝胶是由三维（3D）亲水聚合物网络构成的生物材料，因其高含水量、生物相容性和可调控的理化性质，在生物医学领域备受关注。自1960年Wichterle首次将聚（2-羟乙基甲基丙烯酸酯）水凝胶用于人工角膜和动脉修复以来，水凝胶的应用已扩展到药物递送、组织工程和再生医学。其独特的仿生特性（如类似软组织的机械性能）使其成为模拟细胞微环境（ECM）的理想平台。

2. 体外建模应用

2.1 天然聚合物水凝胶
天然水凝胶（如胶原、Matrigel）因成分与ECM相似，能有效支持细胞生长，但存在批次差异和机械性能不足的问题。例如，Matrigel虽能促进肿瘤细胞和干细胞形成3D类器官，但其动物源性成分限制了临床转化。脱细胞ECM（dECM）通过保留组织特异性蛋白克服了这一局限，在心脏修复和骨再生中展现出潜力。

2.2 合成聚合物水凝胶
聚乙二醇（PEG）水凝胶可通过化学修饰精确调控性能，但需与天然材料（如藻酸盐）复合以增强细胞黏附。例如，藻酸盐-PEG水凝胶通过调控应力松弛速率影响细胞分化。

2.3 复合水凝胶
2.3.1 纳米复合水凝胶
碳基材料（如石墨烯）和金属纳米颗粒（如银、金）的引入赋予水凝胶导电性和抗菌性。银纳米颗粒通过破坏细菌膜和线粒体功能，显著抑制S. aureus和E. coli生长。

2.3.2 3D生物打印
以明胶甲基丙烯酰（GelMA）和藻酸盐为基础的生物墨水，结合3D打印技术，可构建人工心脏瓣膜等复杂结构。低密度纳米纤维支架（如PVA-甲基丙烯酸酯）能促进软骨细胞浸润和再生。

3. 体内应用

3.1 软组织填充剂
自交联透明质酸（HA）水凝胶通过避免传统交联剂（如BDDE）的毒性，延长了填充效果的持久性。羟基磷灰石（HAP）复合水凝胶则通过诱导胶原沉积实现半永久性填充。

3.2 伤口敷料
3.2.1 银基抗菌水凝胶
AMPS水凝胶负载银纳米颗粒后，对耐药菌的杀灭率超过90%，且细胞毒性低。

3.2.2 光动力/光热协同疗法
黑磷纳米片复合壳聚糖水凝胶通过近红外光激发产生活性氧（ROS）和局部高温，协同破坏细菌膜，加速感染伤口愈合。

3.3 组织修复支架
3.3.1 骨修复
藻酸盐-胶原支架植入大鼠颅骨缺损后，显著上调骨钙素和骨桥蛋白表达，促进矿化。

3.3.2 心脏修复
胶原-Matrigel水凝胶培养的心肌细胞移植后，在小鼠体内未引发心律失常，展现出电生理稳定性。

3.3.3 神经修复
肽自组装水凝胶递送神经干细胞（NSPC）可促进神经元分化，改善脊髓损伤大鼠的运动功能。

4. 总结与展望

未来水凝胶的发展需结合临床需求，开发环境响应型（如pH、酶敏感）智能材料，并与微流控、穿戴设备等技术融合，推动个性化医疗和动态组织工程。尽管面临长期生物相容性和标准化制备的挑战，水凝胶仍是下一代核心生物材料的强有力候选者。