多家媒体近日报道,中国研究人员在功能性水凝胶材料领域取得重要进展,开发出一种能够自主变形并实现持续生长的新型水凝胶。该材料在生长过程中始终保持良好的细胞相容性,不会对周围活细胞造成损伤,因此被认为在生物医学领域具有广阔的应用前景。这项成果由华南理工大学研究团队主导完成,并与西京医院开展合作,相关论文已以"Non-Equilibrium Hydrogel Demonstrates Cytocompatible and Seamless Heterotrophic Self-Growth"为题,发表在材料科学权威期刊《先进功能材料》(Advanced Functional Materials)上,该论文共有9位作者,分别来自华南理工大学与西京医院等4家机构,通讯作者包括该校长江学者特聘教授边黎明及张凯。

长期以来,如何让人工合成材料像活体组织一样"生长",是生物材料领域的重要课题。天然组织能够通过细胞分裂和基质沉积不断扩大自身规模,而传统水凝胶一旦制备完成,其形状和体积便基本固定,难以适应生物体生长发育或组织修复过程中不断变化的空间需求。这种"尺寸不匹配"问题在儿童及青少年患者的组织修复中尤为突出:植入材料若不能随患者自身发育同步扩大,往往需要通过多次手术更换尺寸更大的替代材料,这不仅增加了患者的手术与感染风险,也大幅提高了医疗成本。

此前已有研究团队尝试通过共价化学反应让水凝胶实现"自生长",即让材料不断摄取外部单体并在内部发生聚合反应从而扩大体积,或借助双网络水凝胶在机械应力反复作用下实现结构强化与体积增长。但这类基于共价键或强力学刺激的自生长体系,往往需要引发剂、紫外光照、特定离子强度或反复的机械加载等条件,这些条件对细胞存活并不友好,限制了材料在活体组织或细胞培养环境中的直接应用——换言之,此前的自生长水凝胶即便能够"长大",也很难在生长的同时安全容纳活细胞。

针对这一瓶颈,华南理工大学团队提出了新的设计思路:利用钙离子与经双膦酸修饰的果胶分子之间温和的配位结合作用,构建出一种处于非平衡态的自生长水凝胶体系。果胶是一种天然存在于植物细胞壁中的多糖类物质,具有良好的生物相容性与可降解性,研究人员对其进行双膦酸基团修饰后,使其能够与钙离子发生可逆的配位交联反应。实验中,研究人员首先制备出一块具有一定形状的"种子"水凝胶,再将其置于含有可溶性果胶衍生高分子的溶液中。此后,种子凝胶会不断从周围溶液中摄取新的高分子原料,并通过钙离子的配位交联作用,将这些新摄入的高分子无缝整合进原有的网络结构之中,从而带动凝胶整体体积与质量持续增长。研究团队将这一"从外部环境摄取原料实现生长"的过程类比于生物学中的"异养"现象——即生物体依赖从外界摄取有机物而非自身合成来获取生长所需物质——因此将这种材料命名为"异养自生长水凝胶"。由于钙离子配位反应条件温和,不依赖强酸、强碱、紫外光或有毒引发剂等苛刻条件,整个生长过程可以在接近生理环境的温和条件下进行,这也是该研究被认为实现"细胞相容性自生长"的关键所在。

研究团队强调,这种水凝胶在生长过程中新旧材料之间能够实现无缝连接,不会在生长边界处留下结构缺陷或薄弱环节,这意味着材料在反复生长或长期使用过程中仍能保持良好的机械完整性,不易在应力作用下从新旧材料交界处发生断裂。更重要的是,由于生长条件温和,活细胞可以预先被包裹在种子凝胶内部,并在材料生长的同时继续存活、增殖,这为构建内部含有存活细胞、能够随功能需要自主调整形态和体积的复合生物材料提供了一条可行路径,也让"材料与细胞协同生长"由概念设想向实验验证迈进了一步。

从应用角度看,这种能够与细胞共同生长且兼具力学稳定性的水凝胶材料,被认为在组织工程、再生医学以及软体医疗器械等领域具有重要潜力。例如,在修复婴幼儿或青少年体内组织缺损时,传统固定尺寸的植入材料往往难以匹配患者生长发育过程中不断变化的组织尺寸,而具备自主生长能力的水凝胶理论上可以随着周边组织同步"长大",减少反复手术更换材料的需要。此外,这类材料也可用于构建体外培养的类器官支架、药物缓释载体,或是作为柔性可穿戴生物电子器件的基底材料。不过研究团队也坦言,该成果目前仍处于实验室阶段,其具体临床应用仍需进一步的动物实验和长期安全性评估加以验证,才能判断其是否真正适用于人体组织修复场景。

值得一提的是,自生长、自变形水凝胶近年来已成为中国多个科研团队共同关注的前沿方向,也是国际材料科学界的热点课题之一。例如,中国科学技术大学此前报道了一种光响应水凝胶,其三维形态可在光照下发生快速且大幅度的膨胀与重塑,并被用于驱动微型旋转装置等软体机器人结构;北京理工大学团队也曾报道通过界面聚合实现仿生自生长水凝胶的制备方法。在国际上,新加坡南洋理工大学与美国卡内基梅隆大学的研究人员也曾在学术期刊上报道,通过控制体系中的氧浓度,可以引导水凝胶按预设路径生长、形成接近天然动植物组织的复杂三维形态。这些研究路径各有侧重——有的侧重光、磁等外部场控制下的快速形变,有的侧重材料与活体组织的长期协同生长——共同构成了当前水凝胶智能材料研究的多元图景,也从侧面反映出中国科研团队在这一新兴交叉领域的持续投入与国际竞争力。

研究人员表示,下一步工作将集中于验证该水凝胶体系在动物体内环境下的生长稳定性、长期生物安全性,以及与真实组织界面的整合效果,以推动这一材料体系从实验室走向临床前研究阶段。尽管距离实际医疗应用仍有相当距离,但这项成果展示了通过分子设计让人工材料模拟生命体"生长"特性的可能性,为下一代可生长、可适应、可与人体组织协同演化的生物医用材料开发,提供了重要的科学基础与设计范例。