水凝胶
水凝胶（Hydrogel）是由表面张力和毛细作用力引起的含有大量水分的一系列材料。除了药物传递外，它们还被广泛地用于组织工程、人工晶状体和伤口敷料。水凝胶由不同新合成或已识别的单体/交联剂、预先制成的生物相容性聚合物和创新的合成工艺制成（例如透明质酸）。通过修改水凝胶的化学结构、交联、形态或制造过程，可以使水凝胶变得更多功能。
水凝胶经过天然提取、合成等工艺发展，如今可以通过物理、化学和生物交联的方式可以制备。由于其含水的特性，水凝胶的生物相容性较高，而且可生物降解。因此，它们已被应用于生物医学领域。水凝胶与水分子的结合取决于其表面功能基团、交联密度、孔隙结构和固体含量。例如上图中的水凝胶空隙较多，其能够捕获的水分也较多。
水凝胶是固体聚合物，如上图，通常它的储能模量（弹性，G'）高于损耗模量（黏性，G''），这表明了分子层面上的液态特性，从而展示了粘弹性行为。这一独特特性使它们被用于各种电子、传感器、驱动器、农业/环境应用以及生物医学应用中（例如，药物传递载体、组织工程、伤口敷料）。
水凝胶可以根据连接区域被分类为物理水凝胶和化学水凝胶。对于物理水凝胶，使用了临时的交联力，如聚合物链的物理纠缠和非共价力（例如，离子力、氢键和疏水相互作用）。化学水凝胶通常通过共价键连接来制备，包括永久性和动态共价交联（例如双烯加成、硼酸酯键、二硫键、席夫碱等）。
常见的水凝胶原料包括纤维素、壳聚糖、淀粉、果胶、木质素和海藻酸盐在内的天然聚合物。其中纤维素是自然界中最重要的多糖之一，这得益于它的分布和产量。它可以被视为由β-(1→4)糖苷键连接的葡萄糖构成的多聚体。另外，透明质酸和琼脂糖也是通过β-(1→4)糖苷键聚合而形成水凝胶。
那么，是否可以将重组胶原蛋白制备成水凝胶，以提高这类物质的弹性和黏性呢？
胶原蛋白水凝胶
标准的重组胶原蛋白水凝胶是生物组织工程学研究最为深入的领域之一，这主要得益于其低成本、低免疫原性、多功能性、生物相容性以及与天然细胞外基质的相似性。在没有共价交联的情况下，胶原蛋白水凝胶的机械性能相对较低，难以实现复杂的结构。可以通过修改胶原蛋白的自由官能团（氨基和羧基）的结构，形成物理或化学交联。胶原蛋白形成内纤维和纤维间交联的能力可以被利用来创建具有一系列机械性能的水凝胶，可在植入周围组织时展示出优越性能。
胶原蛋白水凝胶的机械性能与胶原蛋白浓度、成分配比、聚合温度、pH和离子强度等相关。单纯胶原蛋白水凝胶主要是通过非共价键连接形成，机械性能较差，在细胞作用下会迅速收缩（如上图），促使内部的干细胞分化和纤维化，限制其内部细胞增殖。同样，也可以通过修饰氨基和羧基来创建物理和化学交联键，改变胶原蛋白水凝胶的机械性能。
胶原蛋白水凝胶具有良好的溶胀能力和生物降解性，其溶胀比取决于交联程度、亲水基团、孔径和孔隙之间相互连接的方式。这种溶胀能力可以赋予水凝胶多种特性，比如吸收炎症渗出液，提高舒适度，因此被广泛地用于伤口敷料上。
胶原蛋白水凝胶多可以通过人体自身的金属蛋白酶来降解和代谢，其降解产物主要为氨基酸，因此可利用其被蛋白酶缓慢降解的过程实现药物的局部缓慢释放，进行组织修复。有研究人员采取胶原蛋白包裹负载药物的材料，并利用胶原蛋白可被人体自身蛋白酶分解的特性，使包裹药物的胶原蛋白缓慢分解，从而达到缓释药物颗粒的目的。
胶原蛋白水凝胶通过物理或者化学交联（如上图），交联后的水凝胶可以在分子间获取水分子，形成空间结构。其中物理交联包括紫外线（UV）照射、伽马射线辐射和脱水热处理（DHT）。与化学交联相比，物理交联被认为是一种更好的方法，因为它不需要使用细胞毒性的化学物质。
DHT凝胶化是通过在较高温度和真空条件下去除水分，从而在自由羧基和氨基之间形成酰胺键来实现的。值得注意的是，凝胶化和变性可能会同时发生。通常在较高温度条件下，胶原蛋白会发生变性。
与DHT处理相比，紫外线照射被认为是一种有效且快速的方法（如上图）。一旦胶原蛋白暴露于UV光下，双键和芳香环就能产生自由基。在氨基酸上生成的自由基形成胶原蛋白分子之间的共价键。通过UV光诱导的胶原蛋白凝胶化仅需15分钟，并且UV诱导的胶原蛋白显示出更高的抗降解性。脱水热处理耗时较长，与UV光相比需要更长的时间。DHT诱导的胶原蛋白对胰蛋白酶更敏感，但对降解更具有抵抗力。
化学交联剂包括戊二醛、羧二亚胺、多环氧化合物等。但与物理交联不同，化学交联会导致交联剂始终存在于水凝胶中（如上图，crosslinker会存在于终端产物中），而这个交联剂的毒性和生物相容性决定了化学交联水凝胶是否安全无害。
有学者通过I型胶原和氧化透明质酸之间的席夫碱反应制备了可注射的透明质酸/胶原蛋白（HCol）水凝胶。理化性质表征和体内外生物相容性数据表明，透明质酸/胶原蛋白水凝胶形态稳定，具有较高的交联程度，微观呈3D孔隙结构，随交联度的增大、胶原浓度的提高，孔径变小，水凝胶网络稳定，有利于细胞粘附和扩散，促进血管向内生长和胶原再生。
在未来的文章中，我们也会继续分享胶原蛋白水凝胶的前景及技术特点。请持续关注HEROSTEM®LAB汇融实验室及旗下BETAGENE GENETIC贝融生物，我们会陆续发布更多产品进展以及研究成果。
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