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新材料情报NMT丨读懂水凝胶:披荆斩棘&自愈合

近日,加拿大研究显示,水凝胶(Hydrogel)不仅有利于干细胞(Stem cell)移植,也可加速眼睛与神经损伤的修复。研究团队指出,像果冻般的水凝胶是干细胞移植的理想介质,可以帮助干细胞在体内存活,修复损伤组织。

这无疑是对意外事故创伤或手术愈合的病人的天大好消息。

无独有偶,中国科学院潘浩波团队和研究员赵晓丽团队,联合香港大学深圳医院等多家单位通过材料设计,结合“升温收缩”纳米胶束和“粘附性小分子”模块,开发了兼具快速粘附和抗吸水溶胀的“稳态”可注射粘附性水凝胶(RAAS hydrogel),能够快速粘附和封闭损伤组织,实现包括心脏出血等多种出血模型的有效止血。同时,在脊髓腔内使用时,能够封闭硬脊膜损伤,有效避免了亲水性医用胶吸水膨胀压迫损伤脊髓组织的风险,表现出在脊柱手术愈合的潜在应用价值。

这也代表了自愈合医学的一个重大进步。

新材料情报NMT丨读懂水凝胶:披荆斩棘&自愈合

大家都知道,当生物受到一定轻微伤害时,可以依靠自身的内在生命力来修复肢体缺损,这种维持生命健康的能力被称为自愈力,但这种能力也只能发生在具有生命的生物体上。

而水凝胶在没有“生命”的有机材料下也具有这种自愈合的能力,受人类皮肤自愈行为和生物贻贝分泌物自愈行为的启发,研究人员开发了一系列自愈水凝胶,可以在材料破裂后自愈。这种自愈设计不仅延长了材料的使用寿命,还恢复并保持了其原始性能。

水凝胶是由亲水性聚合物构成的,其三维网状结构既可以吸收大量水分,也可以用于承载药物采用适宜材料制备的水凝胶具有生物相容度高,机械和粘弹性可控的特点。

而最早可以追溯到1894年,刚开始是用于描述一些无机盐的胶体。时过境迁,水凝胶的含义与起初已经完全不同。世界上第一个成熟的水凝胶产品Ivalon(甲醛树酯与乙烯的交联物)于1949年问世,而1960年PHEMA(聚甲基丙烯酸羟乙酯)问世将水凝胶的市场推向繁荣。

新材料情报NMT丨读懂水凝胶:披荆斩棘&自愈合

1960,WiChterle和Lim首先合成了交联的HEMA水凝胶,它的亲水特性和潜在的生物相容性引起生物材料学者的极大兴趣,使得众多的科研工作者们开展了大量致力于提高水凝胶性能的研究。在药物释放载体、眼科材料、医用敷料和美容材料等生物医药领域得到广泛应用。

药物释放载体

水凝胶对小分子水溶性溶质具有良好的透过性,能够使被载入的物质长时间保持活性,同时又能保证药物在体内的长时间释放。此外,包埋药物的水凝胶材料可以通过移植或注射的方式到生物体的指定位置,从而增强药物的靶向疗效,因此水凝胶成为控制药物输送系统的智能载体。

眼科材料

眼睛的玻璃体为凝胶状,凝胶基质为胶原和透明质酸,是具有足够的强度和弹性功能的水凝胶组织。玻璃体浑浊和视网膜脱落都可以引起视力下降甚至失明。Leone等人为克服人工玻璃体的浑浊和不适应性,制备出聚乙烯醇/聚乙烯吡咯烷酮基水凝胶,该水凝胶具有粘弹性,表现出良好的内填充作用,可以封闭裂孔,展平视网膜,用作人工玻璃体。

组织工程支架

水凝胶具有优良生物相容性和亲水性,在吸水溶胀的同时可以保证自身结构不受改变,可用于包裹生物活性因子向细胞传递信号和细胞培养,作为细胞生长和功能的支持结构,为缺损空间提供填充,这些特性使水凝胶能成为一种理想的支架材料,被用于组织工程支架。Ashton等人通过将负载有藻酸盐裂解酶的共聚物微球掺入藻酸盐水凝胶中,制备出一种可调节降解速率的藻酸盐水凝胶,将神经祖细胞(NPC)载入该水凝胶中,进行体外培养和扩增,作为干细胞的培养支架。

医用敷料和美容材料

纱布、棉球等传统伤口敷料对伤口有一定的保护作用,但由于其易粘连创面,在临床使用中有一定的局限性。水凝胶具有较高的水分含量,能为伤口提供相对湿润的愈合环境,可以不断吸收伤口分泌物,同时水凝胶透明或半透明的外观又便于观察伤口愈合情况,还可根据需要将不同药物包埋在水凝胶内,药物缓慢持续释放到病变区,从而达到治愈伤口或皮肤病的目的。

而这些特性使得水凝胶敷料在创面护理和皮肤修复再生等医学领域成为近几十年来最具竞争力的功能材料,并呈现出逐年增长的趋势。

目前中国市场主要本土厂商包括长春吉原生物科技、珠海国佳新材、惠州华阳医疗器械。日本帝国制药在青岛的生产基地扶桑帝药公司产品不但供应本土市场,还出口到日韩、东南亚等亚太其他地区。3M和ConvaTec是国内主要的进口品牌。ConvaTec在中国曾经是最主流的销售品种。2020年,前五名企业在中国的销量达到市场总量的60.91%,市场集中度较高。

2020年,中国医用级水凝胶市场规模达到了5.47亿元,预计2026年将达到7.14亿元,年复合增长率(CAGR)为4.52%。

而在过去的十年里,国家政策对水凝胶行业给予了极大的支持,因此取得了一些标志性的成果和进步,但由于缺少系统深入的基础研究、没有掌握关键方法、技术、没有组建相应的工程化产业化平台,凝胶产业的发展面临着很多困难,缺乏国际竞争力。  

在国家战略层面来看,组建凝胶工程技术研究中心,对大力提升我国凝胶产业的成果转化能力和产业化能力、满足我国新材料及相关产业发展的巨大需求、形成自主知识产权和国际竞争力、积极拓展国际市场、创造凝胶产业更大效益乃至国民经济发展具有至关重要的推动和促进作用。

不管怎么说水凝胶已经存在了半个多世纪,但它们的魅力仍然是毋庸置疑的。由于其独特的特性,水凝胶一直会受到制药行业的关注,尽管相关的理论研究已经对其进入的深入的挖掘,但还有很多处方未能进入市场中,水凝胶在药物递送领域仍是大有可为。

“植入的生物材料在患者体内和在实验室里一样表现良好,所以我们希望该方法能成为护理与促进自愈合的一种常规措施” 其实这一成果还属于概念论证性实验,要证明水凝胶的安全有效性和临床价值,还需要更多时间和更大规模的实验。

事实上,这一发现在许多与生物学和医学相关的领域都有潜在的应用价值,未来的研究和应用将走向何方,这也只能让我们拭目以待。

       原文标题 : 新材料情报NMT丨读懂水凝胶:披荆斩棘&自愈合

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