WIREs Nanomedicine and Nanobiotechnology:导电水凝胶在生物医药领域应用的现状及未来

水凝胶(hydrogel)是一种具有多孔结构的交联高分子材料,在水中溶胀但不溶解。水凝胶具有可调控的物理、化学性质以及良好的生物相容性。由于水凝胶与生物组织在结构和性质上有很多的相似性,水凝胶作为功能材料被广泛用于生物医药领域。顾名思义,导电水凝胶(electroconductive hydrogel)是一类能够导电的水凝胶材料,通常由导电聚合物和亲水性功能分子组成。导电水凝胶可以通过两类方法制备:1)向导电聚合物的分散体系中添加亲水性交联剂,使其交联成导电水凝胶;2)在水凝胶中原位生成导电聚合物,使水凝胶获得导电性。导电水凝胶不但具有优良的物理、化学性质和生物相容性,而且具有导电聚合物材料的导电性、多重刺激响应性,因此能够作为细胞培养基质,通过电信号刺激帮助其生长分化等。在此基础上,导电水凝胶在生物医药领域包括组织工程、药物缓释、生物传感器和可植入器件等方面都有良好的应用前景。

中国科学技术大学马明明教授课题组,在WIREs Nanomedicine and Nanobiotechnology期刊以“Electroconductive Hydrogels for Biomedical Applications”为题发表综述,介绍了导电水凝胶在生物医药领域应用的背景、现状及未来发展方向。

有些细胞(例如肌肉细胞和神经元细胞)对电信号刺激有灵敏的响应性,导电水凝胶中传导的电信号可以调节这些细胞的增殖和分化,对组织再生和重构也有一定帮助,这是传统的非导电水凝胶不能做到的。细胞产生的电刺激或生物电信号通过导电水凝胶网络传导给其他细胞,可以促进细胞间的信息交流和物质传递,进而促进细胞生长分化,发育成组织。还可以通过向导电水凝胶中引入更多功能,控制细胞的生命活动,以达成多种医学需求。

除了作为细胞培养的基质和组织培养的框架之外,导电水凝胶还被应用于药物控制释放的智能载药体系,利用电信号对导电水凝胶的物理化学性质的控制,使药物定时、定点精确释放。另外,由于导电水凝胶能够对多重刺激信号进行响应并将其转化成电信号,可以作为化学传感器和生物传感器的核心部件。综合药物控释和生物传感这两大优势,结合先进的封装工艺,柔软的导电水凝胶器件将被植入人体,执行实时监测、治疗等功能,相比于传统的刚性材料植入器件,更加便携、安全。

虽然导电水凝胶在生物医药领域的相关研究已经取得了很多成果,但离广泛应用还有一定的距离,目前仍然有一些理论和技术方面的关键问题亟待解决。包括导电水凝胶的生物降解性,如何提升导电水凝胶的生物相容性、稳定性和与电子元件的兼容性等,都是导电水凝胶和基于导电水凝胶的生物器件方面的研究在未来将要关注的重点。