生物响应性多任务处理水凝胶助力生物医学进入新时代

如今，水凝胶材料的发展十分迅速。人们可以根据需求设计具有各种结构和功能的水凝胶材料。在这其中，生物响应多功能水凝胶就可以执行各种精巧的生物学功能，包括活细胞的捕捉、分析、释放；组织的仿生以及肿瘤特异性的小生境的构建。不仅如此，这类水凝胶在体内还能实现对细胞的操纵、发挥药物递送作用，从而有助于实现诊断、治疗、疫苗接种以及免疫等功能。

近期，伊朗大不里士医科大学的Rana Jahanban-Esfahlan、南非约翰内斯堡大学的Michael R. Hamblin和哈佛医学院的Zohreh Amoozgar等人联合撰写了有关于多任务处理（multitasking）水凝胶的综述。作者概述了基于多任务处理水凝胶的策略和器件，包括即时检测、微阵列、单细胞方法、人造膜、仿生建模系统以及微针贴片等等。此外，作者还阐释了水凝胶作为“一体式平台”在癌症治疗、再生医学、代谢疾病等领域所能扮演的关键角色。相关综述以“Advanced Bioresponsive Multitasking Hydrogels in the New Era of Biomedicine”为题发表在Advanced Functional Materials。

【文章要点】

一、即时检测

即时检测（POCT）可在病人床旁进行采样、检测、量化和自报告。水凝胶基贴片已被应用于汗水的采样，并实现生物标记物的原位检测以及自我健康的实时监测。

图1 多任务处理POCT水凝胶

二、微阵列（高通量分析）

可用于基因表达变化定量分析的传统DNA微阵列目前已经发展成为可高通量分析的微阵列。通过将微流控芯片阵列集成到水凝胶中可产生一体式平台，不仅可以高通量分析DNA变化，还适用于蛋白质、多肽等其他生物分子。

图2 多任务处理水凝胶微阵列

三、单细胞捕捉和序列化

用于改善精确医学的单细胞分析也是多任务处理水凝胶的一个重要应用。例如基于填充水凝胶的纳米孔可以特定的速度对小DNA片段进行序列化，并进一步实现单细胞序列化，成为可以绘制细胞异质性的强大工具。

图3 多任务处理水凝胶可实现单细胞捕捉和序列化

四、罕见细胞的分离和释放

在复杂介质中分离循环肿瘤细胞等罕见细胞具有重要的意义。而利用多任务处理水凝胶或者水凝胶-微流控技术可以对罕见细胞进行捕捉和释放，以便用于进一步的分析。

图4 多任务处理生物响应水凝胶填用于罕见细胞的捕捉和释放

五、人造细胞及细胞膜

多任务处理水凝胶还能作为人造细胞模拟物，可无细胞地产生基因或者蛋白质。研究可利用适配子或者基因作为凝胶支架部分构建人造细胞，可以提供代谢工程、药物递送和生物检测器等功能。

图5 多任务处理生物响应水凝胶基细胞模拟物

六、塑造小生境

多任务处理纳米水凝胶作为一种支架材料可进一步构建微肿瘤小生境（niche）或者人造组织。这类水凝胶主要有两类应用，分别是人造微组织环境或者小生境和仿生细胞外基质，都可以作为模型系统用于三维培养、组织工程等。

图6 多任务处理水凝胶用于软组织再生

七、“纳米医生”

多任务处理水凝胶在生物医学领域可以作为“纳米医生”进行使用，具有检测和提供相应响应性质的能力。例如多巴胺连接的透明质酸水凝胶可作为植入材料，在体内可被肿瘤的酸性微环境刺激而持续释放化疗药物。

图7 “纳米医生”用于药物按需释放