Bioactive Materials | 生物医学应用中的抗冻水凝胶，从设计策略到新兴多功能应用

抗冻水凝胶正作为亚零下环境下生物医学应用的有前景材料，包括低温保存、冷适应生物电子学、可穿戴感测和组织工程等，正受到越来越多的关注。尽管取得了近期进展，这一研究领域仍相对较少被充分探索，许多基础性和转化性挑战仍未解决。然而，抗冻水凝胶在冷冻条件下保持柔韧性、导电性和生物相容性的独特能力，凸显了其在未来生物医学和工程创新中的巨大潜力。本综述对抗冻水凝胶的设计原理、防冻机制及应用特定适应进行了有针对性的概述。我们首先总结了基本的抗冻策略，包括低温保护剂的引入、聚合物网络工程、交联结构以及超分子自愈设计。特别强调了近期在极端低温条件下集成应变感应、温度响应和多功能生物传感能力的水凝胶技术进展。随后，我们研究了低温保存导向的水凝胶，强调它们抑制冰核生成、减少细胞内冰形成并保持生物功能的能力。综述还探讨了基于水凝胶的冷适应生物电子学，包括低温可穿戴传感器、柔性电路和自供电接口。最后，我们讨论了临床转化的关键考虑因素，如生物相容性、降解性和长期稳定性。 通过将分子设计与宏观性能相结合，本综述旨在建立一个前瞻性的抗冻水凝胶开发框架，涵盖生物医学、环境和软机器人领域。

该研究以题为“Antifreezing hydrogels for biomedical applications from design strategies to emerging multifunctionality”发表在Bioactive Materials上。

图1.（a）生物医学应用抗冻水凝胶的时间线（2012–2024年），突出显示了关键里程碑。（b）每年的SCI索引论文（2015–2024年），表明生物医学研究活动稳步增加。图2. 生物医学水凝胶系统在零下温度下遭受的主要冷冻诱导损伤示意图。冷冻时，水凝胶基质内会形成冰晶，引发物理和生化损伤。由于冰诱导的脱水和溶质浓缩，蛋白质会发生变性，导致生物活性丧失。被包裹的细胞会经历渗透压冲击和机械损伤，从而导致细胞死亡或功能受损。嵌入水凝胶中或与水凝胶接触的组织会出现网络断裂、机械应力以及结构支撑破坏的情况。总之，这些冷冻诱导的损伤会损害水凝胶在组织工程应用中的机械完整性和生物学性能。图3. 水凝胶中三种主要防冻机制的示意图。（a）冰点降低（机制1）：移动溶质（如盐、多元醇、离子液体）降低孔隙液体的平衡冰点，使凝胶在更低温度下仍能保持不冻结。（b）冰重结晶抑制（机制2）：冰结合聚合物、肽或颗粒吸附在冰表面，抑制晶体生长和粗化，维持大量小而破坏性较小的晶体。（c）结合（不冻结）水（机制3）：强大的聚合物-水合壳层和受限的纳米域极大地减少了可用于冰成核和生长的自由水比例，即使在远低于依数性降低的冰点时，也能实现无冰的玻璃态。（d）协同机制整合：在实际的防冻水凝胶中，冰点降低、冰重结晶抑制和结合（不冻结）水共同作用——大量溶质降低冰点，IRI试剂限制冰生长，水合壳层减少自由水——从而在广泛的零下温度范围内产生强大的防冻性能。

图4. 抗冻水凝胶的设计策略。（a）基于添加剂的设计：掺入无机盐、多元醇、糖类、离子液体和生物分子冷冻保护剂（抗冻蛋白、冰重结晶抑制肽），以降低冰点、减缓水的流动性并抑制冰结晶，其浓度通过平衡抗冻性能、力学性能和生物相容性进行优化。（b）聚合物网络工程和交联结构：两性离子和两亲性网络、纳米相分离结构、双网络（DN）、互穿聚合物网络（IPNs）以及动态共价或超分子交联，这些结构能增强结合水的形成和束缚，提高冻融条件下的韧性和抗裂性。（c）零下温度下的自修复性和柔韧性：动态键和增塑添加剂能够实现损伤的自主修复，并在反复冻融过程中保持高拉伸性和弹性，延长寒冷环境中器件的使用寿命。（d）生物相容性、可降解性和转化限制：使用临床认可的聚合物、可降解连接键以及精心调节的添加剂负载量，以确保细胞相容性、可控降解性，并与组织再生时间尺度相匹配。图5. 结构工程化防冻伤口敷料的设计策略与表征。（a）基于UPy的水凝胶中纳米级疏水域形成示意图：脲基嘧啶酮（UPy；黄色）基序首先通过四重氢键二聚，然后堆叠成分散在亲水基质中的疏水纳米域。这些纳米域将水限制在纳米级区域，破坏连续的氢键网络，从而在低至约-60°C时抑制冰核形成和重结晶[75]。（b）UPy功能化三嵌段水凝胶（PCL-b-PCBMA-b-P（PEGMA-UPy））的示意图：水合后，疏水性PCL链段聚集形成核，周围环绕着两性离子PCBMA和PEGMA-UPy链，形成纳米相分离的核-壳域。透射电子显微镜（TEM）图像显示了这些定义明确的疏水核，突出了含UPy的两亲性结构如何能同时产生结合水、物理限制冰生长以及机械增强，从而实现无添加剂的防冻性能[76]。（c）PIL-CS阳离子水凝胶，将聚合离子液体链段与壳聚糖主链结合，构建具有固有防冻和抗菌性能的富离子、高水合网络。该示意图总结了其在糖尿病伤口模型中的多功能作用，包括抗菌和抗氧化活性、药物缓释、增强细胞迁移、抗炎作用以及促进血管生成，这些共同作用在寒冷暴露下加速伤口愈合[79]。（d）含VBIMBr的AH-3水凝胶在-20°C、25°C和70°C下放置24小时后进行拉伸、压缩和黏附测试的数码照片。该水凝胶在如此宽的温度范围内保持透明、柔韧且具有强黏附性，表明其具有优异的防冻和抗干燥性能以及可重复使用性，这些对于在多变热环境中长期覆盖伤口至关重要[17]。（e）一系列具有不同疏水域含量的水凝胶（P35、P40、P45）的差示扫描量热法（DSC）、小角X射线散射（SAXS）和场发射扫描电子显微镜（FE-SEM）表征。DSC曲线显示冻结/融化转变逐渐受到抑制和偏移，且表观结晶焓降低，表明可冻结水的比例减少；SAXS图谱显示与周期性纳米域相关的清晰散射峰；冻融样品的FE-SEM图像显示精细、均匀的孔结构，这些共同证实纳米相分离结构提高了对冰诱导的微观结构损伤的抵抗力[75]。（f）含[BMIM][BF4]和甘油的H-30%-IL和H-30%-IL-G3水凝胶的温度依赖性离子电导率、电路稳定性，以及热稳定性测试和在小鼠背部皮肤模型中的体内抗冻伤评估。电导率测量表明，深共晶样相的掺入在宽温度范围（包括零下区域）内维持了高离子传导和稳定的电输出，而动物实验显示，与对照组相比，基于H-30%-IL-G3的敷料显著减少了寒冷诱导的组织坏死[74]。（g）0.24% C-CST/PMC有机水凝胶的自修复行为，表明机械损伤（如切割或刻痕）的样品能够自主重新结合并恢复其完整性。该有机水凝胶在修复后迅速恢复机械连续性和离子传导，即使在低温条件下也是如此，这强调了零下自修复能力对于耐用的防冻伤口敷料和可穿戴设备的重要性[81]。

参考文献：

DOI: 10.1016/j.bioactmat.2025.12.053