UCLA贺曦敏教授团队《AM》综述：分级结构工程助力生物高分子水凝胶性能与功能性精准调控

近年来，生物高分子（如多糖、蛋白质和多肽）基水凝胶在可降解医疗植入物、组织工程支架、智能药物释控以及柔性电子等方向的研究中备受瞩目。它们来源广泛、生物相容性良好、可在环境刺激下呈现响应性。然而，这些源于天然的材料也面临可控性不足、强度与韧性难兼顾、以及功能化较为复杂等挑战。为推动该领域的发展，加州大学洛杉矶分校（UCLA）工程学院材料科学与工程系贺曦敏（Ximin He）教授团队近日在国际著名期刊《Advanced Materials》（以下简称AM）上发表题为“Hierarchical Engineering for Biopolymer-based Hydrogels with Tailored Property and Functionality”的综述论文，对生物高分子基水凝胶在分子设计、结构调控以及应用前景等方面的前沿进展进行了系统梳理与深入探讨。

图1 生物高分子基水凝胶从设计到应用的流程示意图.

在自然界中，生物体系经过数十亿年的进化，形成了多种“分级”（Hierarchical）结构，以应对不同环境与功能需求。例如，肌肉与韧带能兼具高强度与良好柔韧性，部分原因就在于其在纳米到宏观多重尺度上均有巧妙的结构和交联方式。研究团队指出，生物高分子水凝胶要想获得媲美甚至超越天然组织的多功能性，必须从分子层级（交联策略、结构可控化）到网络与宏观层级（孔结构、取向、梯度设计）实现协同优化。作者从分子水平（化学修饰、动态键引入、主客体交联等）和网络水平（双网络、互穿网络、纳米填料增强、动态网络等）分别论述了可用于构筑高性能水凝胶的多种策略，并结合实际案例强调了如何通过将弱键（氢键、疏水相互作用、离子键等）与强键（共价键、双网络交联）进行有序组合，来兼顾水凝胶的可逆性和力学稳定性。

图2. 分子与网络层面生物高分子基水凝胶网络设计策略的示意图.

除了分子和网络层面的设计，本综述也关注了在制备加工过程中如何“从外到内”地调控水凝胶结构，以实现孔结构、取向、有序度和力学性能的精细控制。作者重点介绍了以下几种新颖的方法：1）霍夫梅斯特效应（Hofmeister Effect）诱导的链聚集：利用不同盐离子在“盐析-盐溶”中对生物高分子-水相互作用的改变，来促进或抑制聚合物分子间的聚集，从而定向强化网络或制备致密结构。2）共溶剂效应（Cononsolvency）：通过混合溶剂体系（如水/有机溶剂）诱导相分离，形成具有多尺度孔隙的网络结构，提高凝胶透水性、药物装载量或细胞通透性。3）碱/酸处理调控结晶度：对于纤维素等天然高结晶度多糖，通过（去）质子化处理打破氢键，使部分结晶区转化为无定形区，从而提升柔韧性或可加工性。4）机械训练与定向干燥：对水凝胶进行反复拉伸、干燥或外力约束，可使链段取向或形成纤维束，得到类韧带结构的各向异性水凝胶，强度和断裂延伸率均大幅提升。5）定向冻结：通过冰晶模板诱导，制备出定向分布的孔道或分级组织结构，提高质量输运速率及材料在承载方向的耐力。通过将这些多样化的加工方法与网络设计策略结合，研究者能够协同优化水凝胶在力学、传质、降解和生物活性等多维度上的性能。

图3. 用于定制生物高分子基水凝胶结构的调控策略.

图4. 用于生物高分子基水凝胶结构精细调控的调控策略.

图5. 构建各向异性生物高分子基水凝胶的调控策略.

作者在讨论生物高分子水凝胶的结构-性能关系时，也对理论模型作了梳理，包括适用于大应变的黏弹性或分数阶Zener模型以捕捉应力松弛过程，Korsmeyer-Peppas模型或Ogston公式用以描述双相扩散和孔结构对传质的影响，以及在降解行为中酶解、水解或动态键断裂的协同作用机制。准确的模型刻画对于指导生物高分子水凝胶在临床或工程领域的应用至关重要。

图6. 生物高分子基水凝胶的基础结构-性能关系示意图.

为进一步缩小实验与应用之间的差距，文章展示了大型复杂水凝胶结构的先进制备技术，如浸析模具铸造、嵌入式3D打印、热分裂模板以及可再生生物墨水等。这些方法可帮助研究者在组织工程、软体机器人、生物电子等领域制作出多层次、梯度化并且具有功能分区的水凝胶器件。研究发现，结合事先设计好的网络结构与可控的溶剂或模板诱导过程，不仅能提升水凝胶的形状精度和力学一致性，还可将细胞、药物或功能性纳米材料精准地嵌入目标区域，从而实现生物活性与工程性能的有机融合。

在应用层面，作者从智能药物传递、可注射胶粘剂、骨与软组织再生、柔性传感与能量器件、神经再生导管以及自适应可穿戴设备等多个角度，对比了结合分子设计与分级结构优化后所带来的性能突破。生物高分子水凝胶在实现高生物相容性、可调降解速率、刺激响应以及电活性方面的潜力被充分验证，也显示出向“活体-材料”共生甚至自进化体系拓展的趋势。尤其是在可穿戴生物电子和软体机器人中，通过赋予水凝胶导电、可重复拉伸以及自修复特性，可显著提升器件的舒适度、稳定度及安全性。

总体而言，这篇综述在原料选择、网络设计、微观结构构筑以及宏观功能化等方面对生物高分子基水凝胶的研究现状与发展方向做了系统总结。通过多尺度、多层次的分级设计，生物高分子水凝胶在未来会进一步走向高性能、智能化与多功能融合，并为生物医药、环境与柔性电子等关键领域提供更多具有应用前景的解决方案。文章也呼吁科研工作者在深入掌握分子结构与宏观性能关联的同时，加强与合成生物学、材料计算以及新工艺开发等交叉协作，为水凝胶材料注入更多元、更可持续的创新动能。

来源：高分子科学前沿

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