本文件是一篇由Chisom Friday A和Kevin Edgar*撰写的综述性论文，两人分别隶属于弗吉尼亚理工大学化学系与可持续生物材料系/大分子创新研究所。该论文于《Carbohydrate Polymers》期刊第376卷（2026年）发表，文章接收于2025年12月9日，在线发布于2025年12月14日。
论文的主题是全面评述近年来“全多糖水凝胶”（All-Polysaccharide Hydrogels）领域的研究进展，涵盖了其合成策略、性能调控以及在生物医学领域的多样化应用。作者开宗明义地指出，虽然已有众多关于多糖基水凝胶的优秀综述，但尚无专门聚焦于“全多糖”（即所有组分均为多糖或其轻度改性衍生物）水凝胶的系统性评述，本文旨在填补这一空白。作者围绕这一核心主题，构建了从合成到性质再到应用的清晰论述框架。
第一，全多糖水凝胶的合成策略：物理交联与化学交联并举。 文章首先系统梳理了全多糖水凝胶的交联策略，分为物理（非共价）和化学（共价）两大类。物理交联依赖于可逆的非共价相互作用，其特点是动态、可响应环境刺激、通常具有自愈合和可注射性，并且无需使用可能具有毒性的小分子交联剂。然而，其机械强度通常较弱。作者详细论述了四种主要的物理交联机制： 1. 离子相互作用：通过带相反电荷的多糖（如阳离子性的壳聚糖与阴离子性的海藻酸钠）之间的静电作用，或者多价金属离子（如Ca²⁺, Fe³⁺, Zn²⁺）与聚阴离子多糖的配位作用形成凝胶。研究表明，引入双重离子相互作用（如同时存在多糖间静电作用和多糖-金属离子配位作用）可以显著提升水凝胶的机械性能和稳定性。 2. 氢键作用：多糖丰富的羟基、羧基、氨基等官能团能够形成氢键网络。论文以海藻酸钠/羧甲基壳聚糖在酸性或碱性条件下凝胶行为的差异为例，说明pH环境可以调控氢键与离子相互作用的相对强弱，进而影响最终水凝胶的结构和性能。 3. 疏水相互作用：通过在亲水性多糖链上引入疏水基团（如长链烷基），使其在水中通过疏水缔合形成物理交联点。这种策略可以制备具有两亲性的水凝胶，其性能（如溶胀度、对疏水性分子的负载能力）可通过疏水基团的取代度和链长进行精确调控。 4. 主客体相互作用：通常利用环糊精（Cyclodextrin, CD）的空腔作为“主体”，与接枝在多糖链上的疏水性“客体”（如二茂铁、对甲苯磺酰基）分子形成包合物。这类水凝胶具有高度动态性和刺激响应性，特别适用于负载和递送水溶性差的药物。
化学交联则通过形成共价键来构建网络，其水凝胶通常具有更优异的机械性能和长期稳定性。关键在于避免使用有毒的小分子交联剂，这可以通过对多糖进行功能化修饰，使其自身带有可相互反应的官能团来实现。论文重点介绍了五种化学交联方法： 1. 光交联：将带有光敏基团（如甲基丙烯酸酯）的多糖衍生物在光引发剂和UV/可见光照射下发生自由基聚合。其优势在于可实现原位注射后固化，但需注意光引发剂的生物相容性和光照对深层组织的穿透性问题。 2. 狄尔斯-阿尔德反应：一种无催化剂、无副产物的生物正交点击化学。通过在多糖上引入呋喃（双烯）和马来酰亚胺（亲双烯体）基团，它们可发生热可逆的[4+2]环加成反应。为了加快凝胶动力学，还可以采用逆电子需求的狄尔斯-阿尔德反应，使用四嗪和降冰片烯作为反应配对。 3. 迈克尔加成反应：如硫醇-迈克尔加成，在温和条件下快速进行，且对水和空气稳定。通过将多糖修饰上巯基和乙烯砜等迈克尔受体基团，即可构建水凝胶网络。这种反应在生理条件下具有良好的适用性。 4. 硼酸酯键形成：苯硼酸与含有顺式二醇结构的多糖（如海藻酸钠、透明质酸）或其衍生物反应，形成pH敏感的可逆硼酸酯键。这类水凝胶具有自愈合特性，但在生理条件下的稳定性和对活性氧的敏感性是其应用挑战。 5. 希夫碱反应：这是构建动态共价键水凝胶最常用的方法之一。通过醛基/酮基修饰的多糖与氨基修饰的多糖进行缩合，形成亚胺键、腙键或酰腙键。该反应条件温和（通常只需混合水溶液）、副产物仅为水，且生成的动态键赋予水凝胶自愈合、可注射和pH响应等特性。论文指出，通过调节氧化度（醛基含量）和组分浓度，可以方便地调控水凝胶的交联密度和机械性能。
第二，全多糖水凝胶的关键性能及其调控。 论文的第二个核心部分是深入探讨全多糖水凝胶的各种性能，并阐释如何通过分子设计和制备工艺进行调控。 1. 孔径与形貌：水凝胶的多孔结构对细胞生长、营养物质扩散和药物释放至关重要。孔径大小受交联密度、制备方法（如冻干）等影响。研究表明，增加多糖组分的浓度（提高交联密度）通常会导致孔径减小。 2. 溶胀行为：溶胀率受聚合物亲水性、交联密度、环境pH、温度和离子强度等多因素影响。例如，pH响应性水凝胶在酸性或碱性条件下因官能团质子化/去质子化而发生显著的溶胀变化，这直接关联到药物的释放行为。 3. 机械性能：水凝胶需要模拟不同人体软组织（如皮肤、软骨、大脑）的力学特性。其模量、弹性等可通过交联化学类型、组分浓度、交联时间等参数进行精细调控。一般而言，提高交联密度会增加储能模量（G‘）和压缩模量，但过度交联会牺牲弹性。 4. 可注射性与自愈合性：可注射水凝胶能以液态形式输送至靶点，随后在体内发生溶胶-凝胶转变，实现微创治疗和精准给药。自愈合性则源于水凝胶网络中的动态键（无论是物理键还是可逆共价键），使其在遭受机械损伤后能自我修复，延长使用寿命和功能。 5. 刺激响应性：这是实现智能给药和组织工程的关键。论文详细讨论了pH响应（基于酸性/碱性基团）、温度响应（具有低临界溶解温度或高临界溶解温度）、光响应（特别是近红外光穿透性佳）、酶响应（利用特定酶解位点）以及多重响应（整合两种及以上刺激响应机制）水凝胶的原理与应用实例。 6. 生物相容性与可降解性：这是生物医学应用的前提。全多糖水凝胶因其天然来源，通常具有固有的低毒性、低免疫原性和良好的生物相容性。其降解可通过水解或酶解实现，降解速率与交联密度成反比，且最终产物为无毒的糖类分子，易于被机体代谢或吸收。
第三，全多糖水凝胶在生物医学领域的广泛应用。 基于上述优异且可调的性能，全多糖水凝胶在生物医学领域展现出巨大的应用潜力，论文对此进行了系统总结： 1. 药物递送：这是最主要的应用方向。水凝胶可以作为药物储库，实现药物的持续、可控释放。通过整合刺激响应性，更能实现病灶部位（如肿瘤微环境酸性、特定酶过表达）的靶向和触发式释药，提高疗效并降低副作用。论文列举了负载乳铁蛋白、盐酸小檗碱、阿霉素等多种药物的递送系统。 2. 伤口愈合：水凝胶能为伤口提供湿润的愈合环境，吸收渗出液，并可负载抗菌剂、抗炎药物或生长因子以加速愈合。可注射性使其能完美填充不规则创面。研究表明，基于壳聚糖/透明质酸、以及负载蜂蜜的水凝胶在动物模型中能有效促进血管新生、胶原沉积，实现快速伤口闭合。 3. 组织工程：水凝胶的三维网络结构可模拟细胞外基质，为细胞粘附、增殖和分化提供支架。论文介绍了用于心肌梗死修复（海藻酸钠/壳聚糖凝胶促进血管新生、保护心功能）、软骨修复（负载人间充质干细胞的水凝胶）和颅骨缺损修复（负载干细胞外泌体的水凝胶）的成功案例。 4. 3D打印：具有适宜流变性的多糖水凝胶可作为“生物墨水”，通过3D打印技术精准构建复杂的组织结构或药物递送装置。这为制造个性化植入物、体外疾病模型（如肿瘤模型、肝脏模型）以及先进器件（如软体机器人）提供了强大工具。
第四，论文的价值与未来展望。 在结论部分，作者强调了全多糖水凝胶作为一种极具前景的生物材料平台，其核心优势在于所有组分均来源于生物相容性好、可降解的多糖，从根本上避免了合成聚合物或有毒交联剂可能带来的生物安全性问题。通过巧妙的分子设计和多样化的交联策略，研究者已经能够制备出具有可调机械性能、刺激响应性、自愈合和可注射性等先进功能的全多糖水凝胶，并成功应用于药物递送、伤口敷料、组织工程和生物制造等多个尖端领域。
同时，作者也客观指出了当前面临的挑战和未来发展方向，例如：进一步提高水凝胶的机械强度以匹配某些高负荷组织（如关节软骨）；开发更稳定、更生物正交的新型交联化学；设计对多重刺激具有更精准响应逻辑的智能系统；以及解决临床转化中面临的灭菌、大规模生产、长期体内稳定性评价等实际问题。
这篇由Chisom Friday和Kevin Edgar撰写的综述，系统、深入且前沿地总结了全多糖水凝胶领域的最新进展，不仅为研究人员提供了清晰的领域知识地图和丰富的案例参考，也明确指出了未来的创新方向，对该领域的持续发展具有重要的指导和推动作用。