一年發表上萬篇的老牌“明星” 大牛團隊在水凝膠領域的近期優秀成果展示

作為一個經典領域，水凝膠（Hydrogel）具有高生物安全性等優異性能，從報道以來就被廣泛研究。如今，每年基本都有成千上萬的相關文章被發表。其實，水凝膠（Hydrogel）是以水為分散介質的凝膠。具有網狀交聯結構的水溶性高分子中引入一部分疏水基團和親水殘基，親水殘基與水分子結合，將水分子連接在網狀內部，而疏水殘基遇水膨脹的交聯聚合物。是一種高分子網絡體系，性質柔軟，能保持一定的形狀，能吸收大量的水。根據不同的分類方法，水凝膠被分成不同的類型。例如根據水凝膠網絡鍵合的不同，可分為物理凝膠和化學凝膠：物理凝膠是通過物理作用力如靜電作用、氫鍵、鏈的纏繞等形成的，是非永久性的，通過加熱凝膠可轉變為溶液，被稱為假凝膠或熱可逆凝膠；而化學凝膠是由化學鍵交聯形成的三維網絡聚合物，是永久性的，又稱為真凝膠。

圖1、研究方向

通過Web of Science（SCI）檢索水凝膠研究方向的發文情況。如圖1所示，其主要研究方向是化學和材料科學領域，其中化學領域已超過26000篇。同時，還檢索了水凝膠的出版年情況。如圖2所示，在2017年是8293篇，在2018-2020年都是接近或已超過每年10000篇。而在2021年也已顯示發表了3000多篇，以此速度，2021年超過10000篇也不是難事！因此，本次選擇了大牛團隊近期在優質期刊上發表的有關于水凝膠的文章，供大家了解及學習!

圖2、出版年份

1、Nat. Nanotechnol.：由四面體類單體組成的高度均質的聚合物，用于高各向同性膨脹顯微鏡

膨脹顯微鏡（ExM）在物理上放大了生物標本，從而可以使用常規顯微鏡進行納米級分辨率的成像。目前的ExM方法是通過自由基鏈生長聚合聚丙烯酸酯水凝膠滲透樣品，其網絡結構限制了局部膨脹的向同性以及在納米尺度上保持形態和形狀。基于此，麻省理工學院（MIT）Edward S. Boyden等人報道了一種ExM，其使用的水凝膠具有更均勻的網絡結構，通過四面體單體的非自由基末端連接組裝而成。不同于早期形式的ExM，這種四凝膠嵌入式標本可以反復膨脹以獲得更大的物理放大倍數。在線性尺寸上，反復四凝膠法將單純皰疹病毒1型（HSV-1）病毒粒子擴增約10倍，導致病毒包膜層定位的中位空間誤差為9.2 nm，而不是早期ExM的14.3 nm。此外，以四凝膠為基礎的膨脹更好地保持病毒粒子的球形形狀。因此，四凝膠可以在減少空間誤差和改善局部各向同性的情況下支持ExM，為單一生物分子精確度的ExM指明了方向。

文章信息：

A highly homogeneous polymer composed of?tetrahedron-like monomers for high-isotropy?expansion microscopy. Nat. Nanotechnol.,?2021, DOI: 10.1038/s41565-021-00875-7.

https://doi.org/10.1038/s41565-021-00875-7

2、Nat. Biomed. Eng.：利用雙網絡水凝膠快速重編程腫瘤細胞成為癌癥干細胞

癌癥復發可能是由于罕見的循環癌干細胞（CSCs）對化療和放射治療產生耐藥性。基于此，日本北海道大學Shinya Tanaka和龔劍萍教授等人報道了一種雙網絡水凝膠可以快速地將分化的癌細胞重編程為CSCs。表達高水平干細胞基因Sox2、Oct3/4和Nanog的球體在接種6種人類腫瘤細胞系的細胞或膠質母細胞瘤患者切除的腦癌細胞后24 h內形成。在雙網絡水凝膠上培養的人腦癌細胞和在免疫缺陷小鼠中的顱內注射導致比在單網絡凝膠上培養的腦癌細胞具有更高的致瘤性。作者還發現雙網凝膠誘導酪氨酸激酶的磷酸化，凝膠誘導的原發性腦癌細胞中的CSCs被血小板源性生長因子受體的抑制劑清除，鈣通道受體和骨橋蛋白在凝膠介導的腫瘤誘導中起著重要的調節作用腦癌細胞的干細胞。

文章信息：

Rapid reprogramming of tumour cells into cancer?stem cells on double-network hydrogels. Nat. Biomed. Eng.,?2021, DOI: 10.1038/s41551-021-00692-2.

https://doi.org/10.1038/s41551-021-00692-2.

3、Nat. Chem. Bio.：海藻酸/聚丙烯酰胺基核-殼水凝膠用于細菌微生物的強力封裝

近年來，轉基因微生物（GMMs）被廣泛應用于環境傳感和響應性工程生物材料等領域。然而，控制GMMs以防止環境逃逸并滿足監管要求是實際應用中的一個瓶頸。雖然當前的生化策略限制了GMMs在環境中不必要的增長，但是需要部署物理遏制技術來實現冗余、多層和穩定的遏制。基于此，麻省理工學院（MIT）趙選賀教授和盧冠達教授等人報道了一種基于水凝膠的封裝系統。其包含了一個生物相容性的多層硬殼和一個基于海藻酸鈉的核，結合了彈性聚合物網絡（聚丙烯酰胺）和能量耗散網絡（藻酸鹽，通過聚合物之間離子交聯的解鏈），而這種外殼材料非常堅韌，不易斷裂，能保持對小分子的滲透性。這種可部署的物理遏制策略（DEPCOS）使GMM無法逃逸，細菌可以受到保護，免受環境污染，包括抗生素和低pH值，可控的壽命和易于檢索的基因組編碼細菌。為了突出DEPCOS的多功能性，作者證明了牢固包裹的細胞可以執行有用的功能，包括與其他包裹的細菌進行細胞-細胞相互作用和檢測查爾斯河水樣中的重金屬。

文章信息：

Hydrogel-based biocontainment of bacteria for?continuous sensing and computation. Nat. Chem. Bio.,?2021, DOI: 10.1038/s41589-021-00779-6.

https://doi.org/10.1038/s41589-021-00779-6.

4、Adv. Mater.：水凝膠貼片用于治療多藥耐藥性三陰性乳腺癌

腫瘤反復暴露于化療藥物后，腫瘤起始細胞（T-ICs）的誘導擴增是導致腫瘤耐藥和轉移的主要原因。基于此，上海交通大學宋海云研究員、樊春海院士和上海師范大學陳楠教授等人報道了一種對腫瘤微環境響應的水凝膠貼片，用來調節對激素和HER2靶向不敏感的三陰性乳腺癌（TNBC）中T-ICs的可塑性。原位形成的水凝膠網絡可以在耐化學性TNBC小鼠模型中修補腫瘤，并且感知腫瘤內活性氧物種以發生連接體斷裂和釋放有效載荷。該貼片也能夠抑制組蛋白去甲基酶賴氨酸特異性去甲基酶1（LSD1）表觀遺傳學，將T-ICs自我更新調控到分化狀態，從而恢復其化療敏感性。此外，水凝膠貼片通過先天免疫的表觀遺傳激活增強腫瘤免疫原性，并增加T細胞浸潤。研究表明，單劑量含有LSD1抑制劑和化療藥物的水凝膠貼片可以有效的抑制腫瘤生長、術后復發和轉移，從而證明了這種表觀遺傳重塑型水凝膠貼劑對耐藥性腫瘤具有很好的療效，進一步揭示其廣泛的適用性。

參考文獻：

Epigenetic Remodeling Hydrogel Patches for Multidrug-Resistant Triple-Negative Breast Cancer. Adv. Mater., 2021, DOI: 10.1002/adma.202100949.

https://doi.org/10.1002/adma.202100949.

5、Adv. Mater.：可調節的類海綿的分層多孔水凝膠具有高擴散性和力學性能

交聯聚合物和凝膠在軟機器人、太陽能蒸汽發電、能量儲存、藥物輸送生物傳感等領域有著重要的應用。然而，它們的質量傳輸和體積變化能力受到擴散限制，需要小型化以避免緩慢響應。其中，改善水凝膠擴散的傳統方法是通過增加孔隙率來降低力學性能，或者通過定向排列孔隙率來限制總體積通量。但是，同時提高擴散性和力學性能仍然是阻礙水凝膠實際應用的挑戰。基于此，加州大學洛杉磯分校（UCLA）賀曦敏教授等人報道了一種共溶劑型光聚合用來克服這種膨脹的力學性能平衡的通用方法。合成后的聚（N-異丙基丙烯酰胺）水凝膠作為一個示范系統，呈現出獨特的具有連續微通道的開放多孔網絡，出現破記錄的高體積膨脹速度，幾乎比已報道的高一個數量級。對比在純溶劑中制備的常規水凝膠，這種溶脹增強伴隨著同時提高楊氏模量和韌性。所產生的快速質量傳輸能夠通過快速補水和超快驅動使水凝膠在空氣中運行。同時，該方法與3D打印兼容。通過將該技術推廣到聚（N-叔丁基丙烯酰胺-共聚丙烯酰胺）和聚丙烯酰胺水凝膠這兩種非溫度響應性聚合物體系，證明了其通用性，驗證了目前的假設，即共溶解度是一種由競爭吸附驅動的普遍現象。

文章信息：

Tunable Sponge-Like Hierarchically Porous Hydrogels?with Simultaneously Enhanced Di?usivity and Mechanical?Properties. Adv. Mater., 2021, DOI:?10.1002/adma.202008235.

https://doi.org/10.1002/adma.202008235.

6、Adv. Mater.：ATP-響應型智能水凝膠同步釋放免疫佐劑，提高抗腫瘤免疫

某些化學療法和電離輻射可以誘導免疫原性細胞死亡（ICD）。如果腫瘤內同時存在免疫佐劑，將進一步增強抗腫瘤免疫。然而，由于臨床化學/放射治療通常以低劑量重復給藥，在每一劑量的化學/放射治療中將免疫佐劑注射到腫瘤中是不切實際的，因此開發了一種智能水凝膠，其釋放免疫佐劑以響應反復應用的化療/放療。基于此，蘇州大學劉莊教授等人報道了一種將海藻酸鈉與三磷酸腺苷（ATP）特異性適體結合，并使其與免疫佐劑CpG寡核苷酸雜交。在腫瘤內注射后，原位形成海藻酸鈉水凝膠。更重要的是，低劑量的奧沙利鉑或X射線在誘導腫瘤細胞ICD的同時，可以觸發ATP的釋放，ATP與ATP特異性適體競爭性結合，從而觸發CpG的釋放。因此，這種智能水凝膠可以釋放與低劑量重復化療/放療同步的免疫佐劑，在消除已建立的腫瘤方面實現顯著的協同反應，以及在排斥再激發的腫瘤方面實現免疫記憶。此外，該智能水凝膠輔助的重復放射治療可抑制遠處腫瘤轉移，尤其是與免疫檢查點阻斷相結合。總之，該研究提出了一個概念上的新策略，以促進癌癥免疫治療與重復低劑量化療/放射治療相一致，遵循臨床相關的方式。

文章信息：

ATP-Responsive Smart Hydrogel Releasing Immune Adjuvant Synchronized with Repeated Chemotherapy or Radiotherapy to Boost Antitumor Immunity. Adv. Mater.,?2021, DOI: 10.1002/adma.202007910.

https://doi.org/10.1002/adma.202007910.

7、Adv. Funct. Mater.：首次報道！水凝膠基光熱薄膜助力太陽能驅動膜蒸餾

太陽能凈水技術作為一種環保手段，在材料設計、系統工程和能源管理等方面引起了廣泛的研究興趣。然而，低產水量和相對較高的成本從根本上限制了其應用潛力。基于此，德克薩斯大學奧斯汀分校余桂華教授、趙飛博士和深圳大學趙辰陽教授等人首次報道了一種基于水凝膠超薄膜（HUM）的solar-MD系統，可以同時現實高蒸發速率、有效水蒸汽轉移和高凈水產率。在該系統中，HUM的存在使得蒸發前沿直接暴露于載氣側，促進了蒸發，并且在高蒸發速率下的蒸發冷卻效應使得HUM表面溫度低于環境，避免了熱損失并實現環境能收集，從而從根本上消除了溫度極化。得益于此，HUM基solar-MD系統的輸出氣流濕度顯著增加，使系統可在沒有任何能量回收和冷卻裝置下達到80％的蒸汽收集率，并且在一個陽光照射下獲得2.4 kg m^-2?h^-1的凈水產率。更重要的是，HUM的原材料成本僅為0.36 $ m^-2，使得HUM基solar-MD系統的淡水生產成本低至約為0.3-1.0 $ m^-3。總之，該工作表明基于HUM的solar-MD策略有望同時被用于分散型小規模水凈化和集中型大規模水處理。

文章信息：

High-Yield and Low-Cost Solar Water Purification via Hydrogel-Based Membrane Distillation. Adv. Funct. Mater.,?2021, DOI: 10.1002/adfm.202101036.

https://doi.org/10.1002/adfm.202101036.

8、Matter：心臟瓣膜狀的水凝膠可實現“泵血”上萬次！

心臟瓣膜和聲帶等生物組織一般通過復雜的形狀發揮作用，同時還具有超高的抗疲勞性，以保證其長期穩定運轉。目前，還沒有利用合成材料同時實現這兩個屬性。基于此，西安交通大學唐敬達副教授和美國哈佛大學鎖志剛院士等人報道了一種異質結構的水凝膠，其是通過立體光刻—澆鑄法制備并且具有心臟瓣膜形狀。該水凝膠是由三維（3D）骨架和基質組成，而骨架和基質都具有彈性和可拉伸性，但骨架比基質堅硬得多，并且它們的聚合物網絡在拓撲上纏結在一起。當這種水凝膠被拉伸時，基質的順應性使骨架中的應力集中，并增強了抗疲勞性，其疲勞閾值可達400 J?m^-2。作者制造出了均質水凝膠和異質水凝膠，每種形狀都像人的心臟瓣膜一樣。在受循環壓力的作用，前者在約560次循環中破裂，而后者在50000次循環后仍保持完好無損。復雜的形狀和超高抗疲勞性的軟材料為應用提供了廣闊的機會。

文章信息：

Fabricating hydrogels to mimic biological tissues of complex shapes and high fatigue resistance. Matter,?2021, DOI: 10.1016/j.matt.2021.03.011.

https://doi.org/10.1016/j.matt.2021.03.011.

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