综述：光响应自组装水凝胶的分子设计策略与生物医学应用再探

（编辑推荐）本综述系统梳理了光响应自组装水凝胶（photo-responsive hydrogels）的分子设计策略，重点探讨了偶氮苯（azobenzene）、螺吡喃（spiropyran）等光敏单元与超分子功能（H键、π?π堆积等）的协同作用，及其在靶向给药（site-specific drug delivery）、癌症治疗（cancer therapy）等生物医学领域的应用价值，为开发智能软物质（smart materials）提供新思路。

　　

Graphical Abstract

光响应自组装水凝胶因其光控可逆转变特性成为研究热点。这类智能材料（smart materials）通过将光敏基团（如azobenzene、spiropyran、stilbene等）与超分子功能模块（如氢键、疏水作用、π?π堆积）结合，实现分子水平精准调控。配图展示了典型光响应水凝胶的动态响应机制，其微观结构在光照下发生可逆解离/重组，为生物医学应用奠定基础。

Abstract

作为典型的"智能材料"，光响应水凝胶在生物医学领域展现出独特优势。分子设计策略通常包含三个关键要素：光敏核心（photo-responsive core）、超分子功能域（如H-bonding unit）和亲疏水平衡链段。其中，偶氮苯（azobenzene）因其顺反异构特性成为最常用光开关；螺吡喃（spiropyran）则凭借光致变色性在pH响应系统中大放异彩。值得注意的是，这些材料的水凝胶化多依赖分子自组装（molecular self-assembly），通过非共价相互作用构建三维网络结构。

在生物医学应用中，这类水凝胶的突出优势在于双重响应性：既能通过光照远程精确调控，又可响应生物内环境刺激（如pH、酶等）。目前主要应用于三大方向：

1. 1.

   靶向给药系统（site-specific drug delivery）：利用光控溶胀-收缩效应实现药物时空特异性释放

2. 2.

   癌症治疗（cancer therapy）：近红外光响应水凝胶可穿透组织触发抗肿瘤药物释放

3. 3.

   伤口愈合（wound healing）：光热响应材料能动态调节创面微环境

分子设计策略精要

光敏核心选择

• •

  偶氮苯体系：紫外/可见光触发trans-cis异构，引发材料宏观形变

• •

  螺吡喃体系：光照诱导开环形成两性离子结构，适用于pH响应系统

• •

  二芳基乙烯：优异的光疲劳抗性，适合长期循环使用

超分子工程

通过引入脲基嘧啶酮（UPy）等四重氢键单元，可显著提升水凝胶机械强度。而萘二酰亚胺（NDI）等π共轭体系的引入，则赋予材料光热转换能力。最新研究显示，将超分子作用与动态共价化学（dynamic covalent chemistry）结合，可制备具有自修复特性的杂化水凝胶。

生物医学应用进展

在肿瘤治疗领域，负载阿霉素（DOX）的光响应水凝胶可通过⁸⁰⁸nm近红外光触发药物释放，实现深层组织穿透。伤口敷料方面，含银纳米颗粒（AgNPs）的复合水凝胶展现出光热抗菌-促愈合协同效应。值得注意的是，这些材料的生物相容性（biocompatibility）必须通过ISO 10993标准评估，这是临床转化的前提条件。

挑战与展望

当前面临三大瓶颈：①多数体系仍依赖紫外光触发，存在组织损伤风险；②长期光照稳定性不足；③体内降解机制不明确。未来发展方向包括开发近红外II区（NIR-II, 1000-1700 nm）响应系统，以及整合人工智能（AI）技术实现光疗参数优化。

Conflict of Interests

作者声明无利益冲突。该领域研究正从基础材料开发向临床转化迈进，需要化学家、生物学家和临床医生的跨学科协作。