大家好，今天我们来了解一篇关于水凝胶光子学的文章——《Engineering hydrogel-based biomedical photonics: design, fabrication and applications》发表于《Advanced Materials》。水凝胶在生物医学领域应用广泛，近年来在光子学方面的研究取得了重要进展。该文章详细介绍了水凝胶光子学的设计、制造和应用，包括水凝胶的光学特性、制造光子水凝胶结构的技术、其在光导和操纵等方面的应用，以及在生物医学领域的潜在价值。通过阅读这篇文章，我们将深入了解水凝胶光子学的前沿知识和发展前景。

*本文只做阅读笔记分享*

一、引言

水凝胶材料在生物医学领域应用广泛，从组织工程到3D器官芯片技术等。例如，最早的软隐形眼镜就是使用合成水凝胶如聚（2-羟基乙基甲基丙烯酸酯）（pHEMA）制成的。1960 年代激光光的出现和水凝胶软透镜的发明，标志着水凝胶在光学领域应用的开端。

二、基于水凝胶的光子学

2.1 光学耦合损失在材料/组织界面

光与材料的相互作用：光与材料接触时，可能会被透射、反射、散射，或通过全内反射（TIR）被包含在介质中。生物组织对光传播的损耗较大，例如，在软组织中，光强度在穿透不到1mm时就会降低到37%。

折射率的影响：经典固体材料如二氧化硅的折射率较高，与生物组织的折射率不匹配，导致光的耦合损失。而水凝胶和生物组织的折射率较为接近，水的折射率为1.33，生物组织的折射率为1.38-1.42，这使得水凝胶成为一种潜在的替代材料。

2.2 水凝胶作为光子实体的要求

水凝胶的材料要求：为了在光学环境中表现良好，水凝胶需要满足透明度和结构两个关键参数。一方面，要保持材料的生物相容性；另一方面，需要根据引导光或操纵光的目的来调整材料的特性。

常见的聚合物：天然和合成聚合物都可用于光学水凝胶，如合成聚合物中的丙烯酰胺基水凝胶可用于光学纤维核心和薄膜，PEG可用于传感应用并可通过多种方式改性；天然聚合物中的琼脂糖、明胶、纤维素、丝素蛋白和壳聚糖等也在光学领域有应用。

三、制造光子水凝胶结构的技术

3.1 薄膜制造

沉积法：将水凝胶前驱体沉积在清洁表面，然后通过化学、热或光（UV）刺激进行交联。例如，合成的丙烯酰胺薄膜和天然的明胶 - 海藻酸盐薄膜可通过这种方法制备。

层叠组装法：通过交替沉积带不同电荷的聚合物溶液，逐渐组装成薄膜。分子双层非常薄，需要数百层才能达到数百微米的厚度，如用于传感应用的一些水凝胶薄膜。

3.2 水凝胶纤维

制备方法：通常通过将前驱体注入透明管中，进行光交联，然后挤出形成纤维状凝胶，如PEGDA或丙烯酰胺水凝胶纤维。核心材料可涂覆低折射率的材料作为包层，如用海藻酸盐作为包层材料。

研究人员制备了具有不同功能的水凝胶纤维，如用于葡萄糖传感、金属检测、激光光医学等，还可直接植入生物组织中进行氧气水平检测。

3.3 3D 打印

应用前景：3D打印可精确控制材料和细胞的沉积，有望与光子学结合，用于制造光学通道和实现光导，但目前在该领域的应用仍处于新兴阶段。

研究人员创建了含有光学传感器颗粒的藻酸盐和细胞的生物墨水，可对氧气水平做出响应并产生荧光变化。

3.4 结构化水凝胶

制造方法：通常将水凝胶前驱体沉积在预先结构化的纳米阵列上，交联后可选择保留模板在水凝胶中形成阵列，与光相互作用（如用于全息相关应用），或蚀刻掉模板，留下具有结构颜色的水凝胶（如逆蛋白石支架）。

例如，使用聚十二烷基甘油基衣康酸酯/聚丙烯酰胺网络（PDGI/PAAM）制备的材料可用于传感和诊断，但生物相容性有限；而用明胶甲基丙烯酰（GelMA）水凝胶制备的具有自愈合性质的结构彩色水凝胶，可用于组织工程，还可与心肌细胞结合用于快速、无标记的细胞事件检测。

四、水凝胶结构的光子应用

4.1 薄水凝胶薄膜

传感应用：薄水凝胶薄膜依赖于聚合物网格的溶胀/去溶胀变化导致薄膜厚度/高度的变化，从而改变其与光的相互作用。例如，功能化的水凝胶可通过选择性分子结合和水含量的变化驱动光行为的变化，用于传感平台检测葡萄糖、pH或重金属等。

如使用层叠方法获得的苯基硼酸功能化的丙烯酰胺基水凝胶薄膜，葡萄糖分子的结合可导致水凝胶溶胀和入射光波长的变化；还有研究报道的嵌段共聚物层状水凝胶薄膜，可结合不同的反离子导致水合程度的变化，从而改变光的波长和水凝胶薄膜的颜色；以及通过层叠组装形成的葡聚糖、壳聚糖和葡萄糖氧化酶的水凝胶薄膜，可用于葡萄糖检测，pH传感也可通过在pH敏感的P2VP水凝胶中包含纳米粒子或在pHEMA水凝胶中引入纳米粒子来实现。

新应用进展：薄水凝胶薄膜不仅在生物医学传感方面有应用，还在智能显示等领域有新的发展，如PEGDA/P2VP水凝胶薄膜可与吸湿离子液体结合，根据相对湿度变化结构颜色，实现无接触显示。

4.2 光学水凝胶纤维和波导

波导与光纤的区别：光学波导包括能够引导光穿过空间的广泛结构，而光学光纤是一种更复杂的结构，能更有效地引导光，通常具有纤维状几何形状。

例如，使用明胶作为核心、琼脂糖作为包层的波导可引导光，合成的 PEG 水凝胶可用于创建平面波导并封装细胞进行细胞毒性筛选，其他天然材料如丝素蛋白也可用于制造波导。

水凝胶光纤的性能：复杂的核心-包覆水凝胶光学纤维能克服传统波导的局限性，在光导距离、与生物组织的耦合以及对各种分析物的响应和传感方面表现出色。例如，研究人员制备的PEG核心和海藻酸盐外壳的水凝胶光纤，根据波长的不同，核心仅光纤能使组织穿透深度达到约5cm，而核心-外壳光纤可达到15cm；还有的水凝胶光纤可用于葡萄糖传感、氧气水平检测等，并可在3D水凝胶环境和生物组织中引导光。

4.3 仿生结构水凝胶

自然结构颜色的模仿：受自然中结构颜色的启发，科学家通过制造逆蛋白石支架等结构来获得结构颜色。例如，使用GelMA水凝胶结合酶促戊二醛交联可制备出具有结构颜色、可组装成复杂3D结构且对细胞活力无负面影响的水凝胶；丝素水凝胶也可被模板化为具有显著光相互作用的结构，可用于智能隐形眼镜。

在细胞检测中的应用：通过将结构彩色水凝胶与心肌细胞结合，可实现生物力学 - 光学转导，心肌细胞收缩导致水凝胶晶格变化和颜色变化，用于快速、无标记地检测细胞事件。此外，水凝胶中的纳米结构还可用于全息成像和生物医学数据编码。

五、细胞/水凝胶界面的主动光学

5.1 细胞与光导水凝胶的结合

早期研究：早期有研究将光导水凝胶与细胞封装结合，如在琼脂糖波导中封装癌细胞或在光导PEG水凝胶中封装HeLa细胞；同时，也有研究组装大肠杆菌形成细胞-only波导，以及证明悬浮的氰细菌细胞可作为波导引导光。

细胞对光的作用：细胞不仅可以被动地不影响光导性质，还可以主动捕获和引导光，并且真核细胞及其细胞内成分与光有特定相互作用，如偏振光可影响细胞的细胞骨架组织。

水凝胶对光的响应：水凝胶本身也可被工程化为对光主动响应，如基于光开关蛋白dronpa 的水凝胶，光交联变化可动态控制水凝胶的形成和机械性能，影响细胞迁移；还有基于蛋白质的光响应环境，光诱导的水凝胶机械变化可作为循环机械加载平台，诱导肌成纤维细胞活化。

六、光基应用中的多响应水凝胶

6.1 磁响应

研究进展：通过纳米结构化水凝胶与磁粒子，可调整水凝胶结构的方向和入射光的波长，获得响应交变磁场的光子水凝胶结构。

例如，在一项研究中，通过改变磁场，可导致水凝胶中磁粒子的取向变化，从而引起入射光波长的位移。

6.2 热响应

在水凝胶中的应用：热响应水凝胶常用于温度诱导的凝胶变化及药物和细胞递送，其薄膜结构可与温度响应结合，影响光子性质和光相互作用特性。

如热响应的PNIPAAm水凝胶薄膜与纤维素纳米晶体结合，在温度高于或低于临界值时，其结构会发生变化，导致与光的相互作用发生位移。

6.3 电响应

水凝胶的电响应特性：电响应水凝胶可改变其形状和与光的相互作用，例如，在不同电压下，水凝胶的形状会发生变化，从而影响光的传播；还有研究将电响应水凝胶用于光学传感，能够检测电场变化，如心脏肌肉收缩时的电场变化。

如在一些研究中，使用温度响应性聚合物与导电粒子结合，获得了导电水凝胶薄膜，可用于生物医学传感；还有研究将电响应水凝胶与光子学结合，实现了对电信号的无线光学检测。

七、光驱动的水凝胶机器人

7.1 光驱动水凝胶运动的原理

多种刺激响应：水凝胶可响应多种刺激产生运动，如pH响应、磁刺激和光热响应等。在光驱动水凝胶机器人的研究中，通常结合热响应水凝胶与光活性结构，如金纳米粒子，实现光触发的局部环境温度变化，从而导致水凝胶运动。

正光趋性运动：例如，PNIPAAm水凝胶封装金粒子后，在可见光照射下温度升高，水凝胶收缩，产生正光趋性（朝向光运动），有许多相关的研究报道了不同形式的这种运动，如金纳米图案盘在空气-水界面的皱褶运动、螺旋结构通过光控制的旋转运动以及光响应微爬虫的运动。

7.2 负光趋性运动及综合应用

负光趋性运动：与正光趋性不同，一些研究通过使用特定的分子开关，使水凝胶在光的作用下发生体积膨胀，从而产生负光趋性（远离光运动）。

综合应用前景：将正负光趋性结合在同一结构中，可使水凝胶机器人实现更全面的运动范围，这是未来研究的一个方向，光驱动水凝胶机器人在微机器人领域具有巨大潜力，有望应用于临床。

八、水凝胶在光医学中的应用

8.1 抗菌和抗微生物

作为光敏剂载体：水凝胶可作为光敏剂（如亚甲基蓝）的被动载体用于抗菌治疗，如在一些研究中使用具有天然抗菌性质的壳聚糖水凝胶来运输光敏剂。

光与水凝胶的协同作用：更有趣的是，水凝胶自身与光的相互作用可用于杀死微生物并促进组织愈合，例如，结合热响应水凝胶与铜/二氧化硅纳米粒子的研究，在近红外光作用下，水凝胶结构发生变化，同时产生温度升高（光热）、释放自由基氧物种（光动力）和铜离子等效应，实现了杀菌、促进细胞增殖和血管生成的协同作用。

8.2 抗肿瘤

增强光驱动治疗：许多研究利用水凝胶增强光驱动的肿瘤治疗效果，如递送光敏剂提高光诱导的癌细胞杀伤效果、运输药物载体（如载药纳米片）或利用氧生成事件逆转肿瘤内缺氧等。

促进组织再生：还有研究通过光响应水凝胶调节凝胶的机械性能和释放活性氧（ROS），促进间充质干细胞的软骨生成承诺，改善软骨愈合，展示了光响应结构在组织工程和再生中的应用潜力。

九、水凝胶-光相互作用在器官芯片中的应用

9.1 制造复杂结构和生物相关微环境

光交联技术的应用：在微流控芯片中使用水凝胶前驱体，通过光交联技术可生成具有控制形状和结构的3D结构，例如，使用PEGDA和GelMA水凝胶可排列成复杂的形状，模仿肿瘤、肌肉和肌腱-骨等不同组织的3D结构。

在药物测试中的应用：还可通过光操纵含药颗粒和水凝胶交联制造可调药物库，以及利用光交联和操纵水凝胶构建三维梯度，用于高通量筛选细胞对周围环境的反应。

9.2 整合光学传感

集成光子水凝胶结构：虽然一些响应性水凝胶结构已被整合到微流控芯片中并用于获得快速光学读数，但将光子水凝胶结构集成到器官芯片系统中，可实现实时、无标记的检测，为收集信息增加新的时间维度，使其更接近实际生理微环境。

如在一些研究中，将PEGDA微透镜或波导集成到PDMS结构中，可实现光的引导和多输出检测，展示了水凝胶光子学在器官芯片中的应用潜力。

十、结论和展望

过去十年，水凝胶在光子学生物医学应用方面取得了显著进展，成为固体材料在生物医学领域中光导和操纵应用的安全、生物相容和适应性强的补充材料。未来，水凝胶光子学在材料选择、结构设计、与活细胞结合、多响应系统集成、光驱动机器人、光医学以及器官芯片等领域具有广阔的应用前景，将推动生物医学检测、传感和筛选等领域的发展。

参考文献：

Guimarães CF, et al. Engineering Hydrogel-Based Biomedical Photonics: Design, Fabrication, and Applications. Adv Mater. 2021 Jun;33(23):e2006582.