大家好，今天我们来聊聊水凝胶在生物医学应用中光传递的相关内容这篇《Hydrogel for light delivery in biomedical applications》是发表于《Bioactive Materials》上的一篇文章。传统的光学波导材料在生物医学中应用有限，而水凝胶因其独特的性质，如生物相容性、弹性和光学透明性，成为了一种有潜力的替代材料。本文将探讨水凝胶的光传播特性、不同类型的水凝胶及其在隐形眼镜、光导植入物和生物传感系统等方面的应用，希望能让大家对水凝胶在生物医学光传递中的作用有更深入的了解。
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一、引言
传统光学波导或介质常为基于二氧化硅的材料，如石英光纤（SOF），但因其生物相容性差、脆性和刚性等问题，在生物医学应用中受限。聚合物光纤（POF）虽在功能化方面有优势，但杨氏模量仍与人体软组织不匹配。近年来，具有生物相容性、弹性和光学透明性的水凝胶成为生物医学波导介质的潜力选择。
二、光在水凝胶中的传播
2.1 实现良好光传播的条件
光需在介质中以最小能量损失（高光学透明度）传播，且在两个相似折射率（RI）的介质之间传播。
可通过Snell定律描述光在不同介质中的传播关系，即n1×sin(θ1) = n2×sin(θ2)，其中n1和n2是介质的折射率，θ1是入射角度，θ2是折射角度。
2.2 全内反射（TIR）的原理与应用
TIR是波导中捕获和促进光传输的基本概念，当光从高折射率介质向低折射率介质传播且入射角度大于临界角度时发生，可用于实现高效光传输。
例如，在光波导设计中，通常采用单方向引导的圆柱形结构，遵循阶跃折射率或渐变折射率的原则。
2.3 人体组织对光传递的阻碍
人体组织的异质性导致光散射和吸收，是光在生物医学应用中传递的主要障碍，可用散射系数和吸收系数来描述。
例如，在光散射研究的模拟模型中，Mie散射和Rayleigh散射理论常用于评估人体中的散射性质。
三、光学水凝胶
3.1 天然聚合物基光学水凝胶
丝素蛋白（Silk）：
从蚕茧中获得的天然丝纤维主要分为丝素蛋白（SF）和丝胶，SF经脱胶处理后可形成水凝胶。
例如，Sahoo等人通过使用酶（辣根过氧化物酶）与过氧化氢耦合合成了一系列生物相容性SF水凝胶，通过增加脱胶时间，可提高光学透明度，但会导致最大滞后损失增加；Applegate等人使用SF制造了用于体内光医学的功能原型波导，该波导的折射率为1.33 - 1.36，540 nm处的光学损失为2.0 dB/cm；Parker等人打印的光学SF波导在633 nm处的传播损失为0.25 dB/cm（直）和0.81 dB/cm（弯）。
壳聚糖（Chitosan）：
壳聚糖是甲壳素的衍生物，能形成透明凝胶，具有良好的相容性和降解性。
例如，Alamrani等人开发了一种中孔壳聚糖基泄漏波导传感器用于检测血液中的凝血酶；Feng等人开发了一种用于角膜组织工程的热凝胶支架。
纤维素（Cellulose）：
纤维素是最丰富的聚合物，具有生物相容性、降解性和易于功能化的特点。
例如，Orelma等人开发了一种由再生纤维素作为核心和纤维素醋酸酯作为包层的光纤，可在500 - 1400 nm范围导光，衰减常数为6.3 dB/cm（1300 nm），最大拉伸强度为120 MPa；Li等人将羧甲基纤维素（CMC）与碳纳米管（CNT）结合生成水凝胶复合材料，用于构建光纤传感器。
琼脂糖（Agarose）：
琼脂糖是一种从海藻中提取的线性多糖，具有生物相容性、低成本和食品级等优点。
例如，Fujiwara等人展示了利用琼脂糖制作结构化光纤的简单方法，通过控制琼脂糖的组成和模具设计可改变光纤的折射率和几何形状，但其光波导的光学损耗相对较高（3.2 dB/cm，633 nm）。
海藻酸盐（Alginate）：
海藻酸盐是一种在藻类和细菌中发现的阴离子带电嵌段共聚物，常用于与其他合成聚合物结合创建水凝胶波导。
例如，Wang等人制造了用于体内光遗传学应用的海藻酸盐-聚丙烯酰胺（alg-PAAm）水凝胶光纤，其传播损失为0.25 dB/cm，杨氏模量为48 - 91 kPa。
3.2 合成材料基光学水凝胶
聚乙二醇（PEG）：
PEG具有高光学透明度、低光衰减、低杨氏模量和高柔韧性等功能。
例如，通过引入光开关蛋白Dronpa145 N可实现PEG基水凝胶的可逆光诱导刚度切换，还可用于改善其他光学性能不理想系统的光学性质，如将其纳入弹性蛋白样蛋白（ELP）基生物材料支架以改善细胞成像的光学性能。
聚丙烯酰胺（PAM）：
PAM是一种常见的水溶性聚合物，易形成水凝胶，具有多种优点。
例如，PAM可用于光纤生物传感器检测尿酸和酚类化合物，还可作为涂层改善光纤性能，以及用于光调控药物释放的研究。
3.3 混合系统：
例如，透明且导电的水凝胶由羧甲基壳聚糖（CMCS）交联而成，添加CaCl2引入导电性和机械增强添加剂，该水凝胶可用于监测身体关节运动；钙藻酸盐 - 两性离子共聚物ADN双网络水凝胶具有高透明度、机械韧性、自愈合和高导电性等特性，可用于制作柔性可穿戴应变传感器；Ding等人开发的透明磁致双折射水凝胶具有敏感的磁响应、均匀的光学性能和多种透射干涉颜色，可用于光学相位延迟器、梯度光学衰减器等光学应用。
四、光学水凝胶的潜在应用
4.1 隐形眼镜设备：
水凝胶隐形眼镜适合眼部应用，可设计为具有高光学清晰度和适当的韧性，目前的商业隐形眼镜大多用于矫正视力，而水凝胶基隐形眼镜已被探索用于增强智能隐形眼镜的发展。
例如，Lee等人开发的无线发光二极管（LED）隐形眼镜可用于对抗糖尿病性视网膜病变，该隐形眼镜在300 - 800 nm光范围内的透光率为90%；Zhu等人开发的智能水凝胶隐形眼镜可用于无线眼压监测，由金字塔形微结构组成的LCR传感器可提高监测灵敏度。
4.2 光导植入物：
水凝胶波导和光纤在光遗传学领域有应用前景，可促进光在深层组织中的传递，克服光通过皮肤的穿透性差的问题。
例如，Zhu等人通过表面聚合制备的PEGDA@PNAGA水凝胶光纤可调节药物释放；与上转换纳米粒子（UCNPs）结合的PEGDA水凝胶可用于光动力治疗（PDT），如将无线UCNPs植入物插入小鼠大脑可缩小肿瘤尺寸；热调节水凝胶波导（THFOW）可减少PDT对周围区域的热影响。
4.3 生物传感系统：
水凝胶在生物传感领域一般作为嵌入关键分子的系统或对周围环境的增强响应系统。
例如，基于RAFT聚合的双交联超分子水凝胶可用于检测早期卵巢癌生物标志物lysophosphatidic acid（LPA）；Yetisen等人开发的聚（丙烯酰胺-共-聚（乙二醇）二丙烯酸酯）p（AM-co-PEGDA）核心导波包层钙藻酸盐的水凝胶光纤可用于葡萄糖传感；Chen等人开发的基于水凝胶平台的光学葡萄糖传感器可将环境刺激转化为光学信号，并可检测糖类且具有自愈合能力。
五、展望与结论
水凝胶研究在生物医学应用中具有潜力，但仍面临一些挑战，如机械性能差、水凝胶的溶胀或脱水会影响其透明度和机械性能、开发水凝胶波导的要求多样且复杂、多数光导水凝胶系统为单功能材料、体内长期稳定性有待研究等。未来需要进一步探索和解决这些问题，以推动水凝胶在生物医学领域的应用。
参考文献：
Yew PYM, et al. Hydrogel for light delivery in biomedical applications. Bioact Mater. 2024 Apr 23;37:407-423.
