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  由于其獨特的化學和物理特性，水凝膠近年來在基礎研究和生物醫學應用中受到越來越多的關注。從水凝膠廣義的定義來說，人體軟組織的天然細胞外基質 (ECM)是通過千萬年生物進化所形成的最佳性能的生物醫藥水凝膠。很多軟組織ECM（如軟骨、皮膚、韌帶等） 不但具有極為優秀的宏觀生物力學性能，可以承載高強度的生物力學荷載，同時還兼具良好的微觀結構動態性質，可以有效支持細胞在ECM三維環境中的增殖、遷移、組裝、分化、發育等各項細胞行為。盡管經典的、具有靜態網絡的水凝膠已經在幾十年見被廣泛報告，但最近研究表明，結構動態水凝膠可以更好地模擬人體組織中天然細胞外基質 (ECM) 的動態特性與功能。但是由于需要維持細胞活性的考量，現有的可負載細胞的水凝膠力學性能普遍較弱。水凝膠的宏觀力學性能和其微觀的結構動態性質看似是一對相互矛盾的設計要求，因此開發兼具宏觀穩定性與微觀結構動態性的水凝膠服務于基礎及轉化生物醫學研究是水凝膠研究的重要的挑戰之一。

  近日，美國約翰霍普金斯大學谷洛（Luo Gu）教授和華南理工大學邊黎明教授團隊在Chemical Reviews期刊上發表了題為Structurally Dynamic Hydrogels for Biomedical Applications: Pursuing a Fine Balance between Macroscopic Stability and Microscopic Dynamics的綜述文章，介紹了動態水凝膠性能的總體預期與設計原則，著重強調了其宏觀穩定性與微觀動態性之間的良好平衡。本文總結了動態水凝膠設計與制備方式的最新進展，包括從降解依賴性策略到降解非依賴性策略的發展、不同凝膠體系的特性及其在生物醫學領域的應用，并在此基礎上討論了動態水凝膠研發與應用中尚存的挑戰與新趨勢。

  首先，軟組織ECM的微觀動態性是細胞鋪展、遷移、增殖、分化等正常生命活動的基礎。在人體中，包括腦、肝臟在內的許多重要器官與組織在力學上都表現出應力松弛、蠕變等動態特性。從微觀角度來看，不同聚合物鏈之間可逆相互作用的瞬時破壞與重建通常被認為是ECM重組和產生粘彈性行為的物質基礎。ECM這些微觀結構的動態性質對所包含細胞的增殖、遷移、分化、發育等各項細胞行為有重要的調控作用。因此，利用動態水凝膠中重現這種動態微觀結構對于模擬 ECM的功能至關重要。同時，很多軟組織（如軟骨、皮膚、韌帶等）的ECM都具有非常優良的力學性質，可以承擔高強度的反復生物力學載荷。從水凝膠功能的角度來講，動態水凝膠在體外培養或植入體內后，需要在一定時間內保持整體結構的穩定性及一定的力學強度以維持其特定功能。材料的宏觀整體穩定性與微觀結構動態性這一對看似矛盾的特性卻在軟骨、皮膚等軟組織的天然ECM中同時得到了完美的呈現。因此，這也是以生物醫學應用為導向的動態水凝膠仿生設計的重要目標。此外，動態水凝膠應具有明確定義的化學成分，以提供穩定、可重現的性質。為確保水凝膠的安全應用，相應成分應具有最小的細胞毒性和良好的生物相容性。此外，為應對轉化應用的需求，動態水凝膠制備的成本、效益、以及規模化生產的可行性亦應該得到考慮。

  近年來，隨著對水凝膠動態行為分子機制的不斷了解，研究者們開發了許多有前途的方法來制造水凝膠并調節其動態特性，例如，通過調整聚合物結構或交聯方法。根據水凝膠動態性的來源不同，這些方法可以分為兩大類：降解依賴性策略以及降解非依賴性策略。前者主要包括水解、酶解、光響應降解等，后者則涵蓋了動態共價鍵、離子（靜電）相互作用、動態離子-配體相互作用、主-客體相互作用、動態構型變化、氫鍵等動態相互作用。

  在生物醫學應用方面，由于其獨特的物理與生化特性，動態水凝膠可以更好地提供細胞三維培養所需動態微環境，并通過水凝膠網絡結構的改變或動態相互作用實現生物活性分子的可控遞送，因而在細胞/類器官培養、體外腫瘤模型、組織工程、免疫調節和藥物遞送等方面均得到了廣泛的探索與應用。

  作者亦在本文中提出了動態水凝膠的進一步發展所面臨幾個挑戰和機遇：（1）需要進一步研發動態交聯策略，以拓寬水凝膠網絡動態性的時間尺度。（2）考慮到動態水凝膠的功能和應用，其微觀動態性和宏觀穩定性應該達到更好的平衡。（3）開發先進的方法和技術將有助于在更高分辨率下實時表征水凝膠的動態特性及其對相關細胞行為的影響。（4）需要簡化水凝膠制備過程并提升工藝穩定性，從而促進動態水凝膠在基礎研究和臨床轉化中的廣泛應用。

  本文作者包括約翰霍普金斯大學張琨雨博士、重慶大學馮茜副教授（共同第一作者）、約翰霍普金斯大學博士生方志偉，通訊作者為約翰霍普金斯大學谷洛助理教授與華南理工大學邊黎明教授。

  原文鏈接：https://pubs.acs.org/doi/full/10.1021/acs.chemrev.1c00071

通訊作者簡介：

  谷洛教授于2017年加入約翰霍普金斯大學，任材料科學與工程系助理教授。谷教授實驗室著重研究細胞對微環境中力學與生化信號的感知與響應，探索細胞力學信號傳導在組織再生、免疫治療和基因編輯的中的作用與意義，并由此啟示的新型生物材料的研發。

  邊黎明教授2021年入職華南理工大學生物醫學科學與工程學院，現任長江學者特聘教授。邊教授長期致力于發展先進納米材料與水凝膠材料在生物醫學領域的應用，并且逐漸建立了從基礎材料學，生物醫學研究到醫療應用研究的多方向的深度研究。邊教授課題組近期在高水平學術期刊發表多篇論文。

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