随着纳米技术的发展，纳米材料复合水凝胶系统由于其独特的性能，如生物相容性和可调的机械性能，已成为一类有前途的材料，可用于各种生物医学应用。

水凝胶是亲水聚合物的三维网络，可以吸收大量的水，同时保持其结构完整性。尽管水凝胶表现出良好性能，但由于其可控性、响应和驱动能力较弱，目前的水凝胶相关系统仍然存在一些挑战和限制。例如低效的封装、易于泄漏已经负载的载体以及缺乏可控性。此外，如何将这种技术转化为实际应用也是一个重要挑战。为了克服这些挑战，研究人员已经开始使用纳米结构集成技术。通过纳米结构设计将纳米结构整合到水凝胶中，可以增强其力学强度，改善药物传递能力，并提高其生物相容性。除了改善现有材料的性能外，研究人员还在探索用于纳米结构集成水凝胶系统的新合成材料。例如，一些研究人员正在研究壳聚糖或藻酸盐等天然聚合物的用途，这些聚合物具有独特的特性，可用于特定的治疗应用。纳米技术和材料科学的进步推动了纳米结构集成水凝胶系统的发展。

纳米材料复合水凝胶体系已经在多种治疗应用中展现出有希望的前景。在这篇有关纳米结构集成水凝胶系统的综述中，作者全面综述了这些材料在各种治疗领域的潜在应用，如癌症治疗、伤口愈合、心脏修复、骨再生、糖尿病治疗和肥胖治疗（图1）。通过展示不同类别的水凝胶的优势和局限性，提供了其在生物医学工程中的应用的示例。

图1. 各种纳米结构-杂化水凝胶用于治疗肿瘤和其他常见疾病

近日，新加坡科技局材料与工程研究所Institute of Materials Research and Engineering (IMRE) 的朱后娟博士在ACS Nano上发表了纳米材料复合水凝胶用于各种疾病治疗的相关综述。

首先，本文概述了水凝胶及其性质，然后讨论了纳米结构集成在生物应用中的优势。水凝胶是软的生物材料，由于其可调控的特性（包括良好的生物相容性和生物降解性以及高载荷效率），已经在治疗应用中得到了相当多的关注。然而，水凝胶的应用仍受到一些挑战的限制，例如效率低下的封装，容易泄漏负载货物以及缺乏可控性。为了克服这些挑战，研究人员在水凝胶系统中集成纳米结构，通过提供增强的机械性能、控制的药物释放、改善的生物相容性、多功能能力和靶向递送，克服了传统水凝胶的一些局限性，纳米结构集成水凝胶在各种治疗应用中显示出巨大的前景。

本文接着系统地总结了纳米结构杂化水凝胶在生物医学工程中的各种应用，包括癌症治疗、伤口愈合、心脏修复、骨再生、糖尿病治疗和肥胖治疗。在癌症治疗中，纳米结构复合水凝胶通过实现靶向药物递送和光热治疗方面在癌症治疗方面表现出了很大的希望。例如，研究人员开发了可以响应特定刺激（例如pH或温度变化）释放药物的水凝胶，或者可以用靶向配体（例如抗体）功能化的水凝胶，以使靶向递送到癌细胞。此外，一些水凝胶被设计为将纳米颗粒与光热特性结合在一起，可用于光热治疗以杀死癌细胞（图2）。纳米结构复合水凝胶被用于伤口敷料、组织工程和皮肤再生，研究表明使用纳米材料复合水凝胶能够改善伤口愈合结果。例如，研究人员开发了可以模拟天然细胞外基质并促进细胞粘附和增殖的水凝胶。在心脏修复中，纳米材料复合水凝胶已用于细胞递送，血管生成促进和心肌梗塞疗法，研究表明使用这些水凝胶可以改善心脏功能。例如，研究人员开发了可以支持心脏干细胞生长和分化的水凝胶，或者可以通过掺入生长因子或其他治疗剂来促进血管生成。在骨骼再生中，纳米复合水凝胶已用于骨组织工程和药物递送，研究表明使用这些水凝胶可以改善骨再生结果。例如，研究人员已经开发出能够模拟骨组织的天然细胞外基质并促进成骨细胞分化和矿化的水凝胶。此外，一些水凝胶已经被设计成包含生长因子或其他可以加速骨再生的治疗剂。在糖尿病治疗中，纳米材料结合水凝胶已用于胰岛素递送和葡萄糖感应，研究表明使用这些水凝胶可以改善葡萄糖的控制。例如，研究人员开发了可以响应葡萄糖水平的变化而释放胰岛素的水凝胶，或者可以结合葡萄糖传感器以实时监测葡萄糖水平。最后，在肥胖疗法中， 纳米材料复合的水凝胶已用于减肥和抑制食欲。例如，研究人员已经开发出水凝胶，它可以在胃中膨胀以诱导饱腹感，或者可以释放抑制食欲的激素。

图2. 各种纳米结构 （纳米胶束，硫化铜颗粒，氧化铁颗粒等）于水凝胶结合用化学、光热、磁热、基因治疗癌症。

最后，本文阐述了纳米材料复合 柔性水凝胶未来发展的当前挑战、局限性和未来前景。尽管这些系统在治疗应用中具有潜在的好处，但还有需要解决的挑战。例如，需要更好地优化机械性能，改善药物释放控制，确保生物相容性，更加关注纳米复合水凝胶的生物安全性、生物利用度和大规模合成，以促进治疗多功能疾病的进一步发展和未来的临床应用。虽然纳米材料的结合可以改善水凝胶的机械性能，但仍需要为特定应用优化这些特性。在将纳米颗粒与刺激性反应性特性结合起来可以使受控药物释放中，但仍需要优化这些系统以用于特定的药物和递送路线。此外，有必要确保在存储和释放期间加载的药物保持稳定且有效。尽管与传统水凝胶相比，纳米结构结合的水凝胶显示出改善的生物相容性，但仍然需要确保这些材料可安全有效地用于人类。这包括测试潜在的毒性或免疫原性。尽管在纳米结构复合柔性水凝胶的开发中仍然存在挑战和局限性，但在通过解决这些挑战并探索研究的新方向，研究人员可以继续提高水凝胶系统的治疗潜力并推动生物医学工程应用。

目前纳米结构复合水凝胶的开发处于早期阶段，存在一些挑战和限制需要克服，但是最近的研究表明它们有极大的潜力作为治疗系统高效治疗疾病。因此，在生物医学领域，需探索各种纳米结构集成水凝胶系统，以提高治疗效果，以便进一步进行临床应用。设计这种刺激响应系统的关键是选择具有特定特性的水凝胶或纳米结构，可以响应外部施加的刺激，如磁场、机械力、温度、光和超声波，或者识别内部生理信号。这些特定功能可以通过选择具有某些刺激响应图案的水凝胶或具有功能特性的纳米材料来编程。另一个关键因素是提高设计灵活性，以扩大其在各种治疗方案中的生物活性。在未来的发展中，纳米复合水凝胶在治疗应用中具有广泛的前景。通过进一步研究和开发，可以克服现有的挑战和限制，并实现更广泛的临床应用。

相关论文发表在ACS Nano上，新加坡A*STAR IMRE的朱后娟为文章的第一作者，Ye Enyi, Loh Xian Jun 和 Li Zibiao教授为通讯作者。

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ACS Nano 2023, 17, 9, 7953–7978

Publication Date: April 18, 2023

https://doi.org/10.1021/acsnano.2c12448 

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