金年会官方app·水凝胶该如何设计？看顶尖大牛最新Nature系列综

　　开发越来越多水凝胶应用的机遇推动了具有极端性能的水凝胶的发展；然而，许多应用需要在单个水凝胶制剂中平衡多种性质和/或设计标准。因此，实现多面性水凝胶的途径需要模块化设计和对水凝胶的基本理解。模块性，或在水凝胶制剂中交换具有不同性质的成分的能力，是实现与不同成分（例如基质金属蛋白酶可降解交联肽）相关的性质所必需的。通过使用数学模型总结对水凝胶的基本理解，可以在不损失模块化组分作用的情况下将水凝胶性能调整到理想水平。

　　模块化水凝胶设计主要集中在将单一的新特性融入水凝胶中，通过二元比较或比例关系测试改性的有效性。然而，随着水凝胶设计变得更加多面，对交叉知识的需求增加；也就是说，了解组合改造产生的特性，以及这些相互作用如何影响水凝胶在特定生物医学应用中的适用性。随着水凝胶配方的日益复杂，无指导的试错优化变得不可行；相反，需要应用基本模型来协调交叉设计空间中结构-性能关系的预测。具体而言，关于模块化变化如何影响多种结构-性质相互作用的模型指导假设可以支持更有效的实验设计，以创建具有多种性质的水凝胶。

　　在这篇综述中，德克萨斯大学奥斯汀分校Nicholas A. Peppas教授等人提出了一个基于模型的模块化水凝胶设计框架，该框架是应用驱动的，并在设计过程的早期就考虑临床转化的前景。在这种方法中，水凝胶制剂的每个成分都朝着目标应用的多方面设计标准进行了优化，确定了如何将多种特性集成到单个制剂中。作者着重描述了聚合物物理的基本模型，这些模型为模块化水凝胶设计提供了基础，并研究了如何整合合成聚合物前体以实现这种模块化。最后，作者讨论了临床批准的水凝胶制剂，并研究了如何通过模块化设计方法解决临床转化中的挑战。相关工作以“Model-based modular hydrogel design”为题发表在Nature Reviews Bioengineering。

　　水凝胶的基本模型广泛借鉴了聚合物物理学。类似橡胶的弹性理论描述了水凝胶结构和刚度之间的关系，并为水凝胶的平衡溶胀模型贡献了弹性化学势。Flory–Huggins聚合物溶液理论为平衡溶胀理论提供了混合化学势。将初始或松弛的聚合物体积分数引入平衡溶胀方程有助于分析在水溶液中形成的水凝胶的溶胀。此外，约束连接模型定义了是将幻影变形还是仿射变形应用于水凝胶溶胀和刚度计算。水凝胶内溶质传输的模型基于聚合物物理，包括采用Stokes–Einstein模型的假设，即溶液中的聚合物分子表现得像一个坚硬的、不相互作用的球体。Flory的统计力学可用于计算水凝胶的网孔尺寸，这仍然是估计水凝胶中溶质传输特性的可行方法。因此，平衡溶胀、橡胶状弹性和网格传输的理论被进一步协调到水凝胶设计模型中，该模型使用合成定义的网络结构参数作为输入来预测溶胀、刚度和溶质传输。通过将模型从理论上的“性质-描述-结构”格式重新排列为实际的“结构-预测-性质”格式，提出了一种基于模型的水凝胶设计方法。具体而言，将特定水凝胶制剂的合成定义的结构参数输入到模型中，将产生水凝胶的预期溶胀率、硬度和溶质在水凝胶内的扩散系数。重要的是，这种方法先验地产生基于结构的预测，建议如何改变水凝胶的结构以优化其性能，而不需要试错实验。此外，这些结构-性能关系是明确的和可测试的，这意味着将水凝胶配方与其性能配对的数据积累将可靠地改进模型，提高生物医学应用中水凝胶设计的准确性。

　　除了理论发展和数学建模之外，水凝胶网络结构的功能前体的化学合成和商业可用性方面的突破也促进了基于模型的模块化水凝胶设计。PHEMA、聚乙烯醇（PVA）、聚乙二醇二丙烯酸酯（PEGDA）和末端官能化多臂聚乙二醇（PEG）是水凝胶的关键合成前体。特别是，基于PEG的前体在其结构（线性或多臂）和端基功能化方面是通用的，因此可以用于研究和验证生物医学相关合成水凝胶中的基本结构-功能关系，而不会引入用不同聚合物制备的水凝胶的混淆比较。

　　面向实际应用的水凝胶常常需要同时优化多种性能。例如，长期组织工程植入物不仅需要与目标组织的硬度相匹配，还要承受多次施加的力，并将纤维化反应降至最低。模块化水凝胶特性则可以实现以应用为中心的水凝胶设计。而在实际生活中，水凝胶已应用于多个临床领域，包括眼科、组织工程、妇女健康和化妆品（重建手术和真皮应用），这产生了一个丰富的临床批准的水凝胶制剂库（图1）。

　　理解和设计包括降解在内的整个水凝胶使用周期，仍然是临床应用水凝胶设计的核心挑战（图2）。生物相容性降解可以通过基于模型的模块化水凝胶设计来实现，如溶胀的聚合物网络模型包括链端缺陷的频率，可以对其进行操作以预测网络降解如何影响本体水凝胶性能。此外，可以反复测试生物活性官能团在模板水凝胶中的模块化结合，以识别和替换有毒成分。此外，有限的成本效益是水凝胶装置临床转化的主要障碍，应在设计考虑中加以解决。这可以通过基于模型的模块化水凝胶设计来改善，例如，通过应用具有成本效益的聚合物和通过最小化昂贵功能部件的使用来改善。此外，使用基于模型的模块化水凝胶设计来同时实现多个目标特性，可以降低与试错水凝胶合成相关的研发成本。

　　基于模型的模块化水凝胶设计过程借鉴了其他转化生物材料开发策略，包括可编程水凝胶、精确功能水凝胶和循证生物材料研究。可编程水凝胶通常通过实现细胞、生物化学基团和聚合物网络来进行工程设计，然后整合模块化交联以操纵包封的细胞移动性和组织。精密功能水凝胶旨在通过实现几种类型的单元操作来支持多种不同的生物医学应用。循证生物材料研究将迭代系统综述纳入从基础研究到商业化生物医学产品的转化过程。基于模型的模块化水凝胶设计将可编程水凝胶的材料意识特征与精确功能水凝胶设计的应用驱动功能以及循证生物材料研究的迭代进展相结合。此外，模块化水凝胶设计旨在开发可应用的水凝胶，同时反馈到水凝胶结构-性能关系的强大、全面的数据集和模型中（图3）。

　　随着该领域的进展，在水凝胶中加入单个模块化成分如何影响其他性质的有力验证将为预测性设计具有多种可能相互作用的修饰的可应用水凝胶奠定基础。通过提供上述框架，优化基础水凝胶研究的见解，以满足多种生物医学要求，基于模型的模块化水凝胶设计将有望克服水凝胶临床应用中的瓶颈。