相分离水凝胶,南京大学《Materials Today Bio》

水凝胶因具备三维网状结构、高含水量、良好生物相容性与类细胞外基质特性，被广泛应用于组织工程、药物递送、生物传感和生物打印等生物医学领域，然而传统均相水凝胶存在力学性能不足、结构单一、生物功能受限、加工精度与成型稳定性难以兼顾等问题，制约了其在复杂生理环境与高端生物医学场景中的应用。相分离作为一种可精准调控材料微观结构与宏观性能的有效手段，能够通过热力学与动力学协同调控，赋予水凝胶多孔、多级、纤维状等仿生结构，同时突破传统水凝胶力学、通透性、响应性与可打印性之间的固有矛盾，成为解决上述瓶颈的关键策略。目前，相分离调控水凝胶的设计、制备与应用已取得快速发展，但对相分离的热力学与动力学机制、结构-性能关系以及多场景适配规律仍缺乏系统梳理。

南京大学黄金健、吴秀文、任建安和任华建等人综述相分离的发展历程、热力学驱动力与动力学机制，总结相分离水凝胶的常用原料、制备工艺参数与结构调控方法，重点阐述其在组织工程、药物递送、生物传感和生物打印四大领域的研究进展。相关内容以“Phase-separated hydrogels for advanced biomedical engineering: From material design to applications”为题发表在《Materials Today Bio》上。

主要内容：

图1 相分离的动力学机制

图中包括成核生长与旋节线分解两种核心过程的示意图、二元混合物热力学相图分区及对应典型形貌，同时呈现了水凝胶相分离过程中奥斯特瓦尔德熟化、聚结、絮凝与沉降这四种去稳定化过程，清晰阐明相分离发生的热力学边界、动力学路径与微观结构演变规律。

图2 制备相分离水凝胶的常用原料、关键工艺参数与最终形成的结构结果

图中汇总了PVA、PEG、海藻酸钠、壳聚糖、PNIPAM等典型聚合物，以及热致相分离、LCST/UCST、紫外光引发等调控方式，直观展现材料选择、工艺条件与相分离结构之间的对应关系。

图3 六种常用聚合物构建相分离水凝胶的设计与结构特征

图中包括PVA/CS复合抗菌水凝胶、PEG/明胶相分离三维微颗粒、光触发相分离增强的GelMA水凝胶、非溶剂致相分离制备的壳聚糖水凝胶、基于相分离黏度变化的脂肪酶检测纸基传感器，以及PNIPAM相分离形成的纳米通道复合结构，直观呈现不同生物质与合成聚合物通过相分离实现的功能化结构。

图4 温度、浓度、交联与光等关键工艺参数对相分离水凝胶制备的调控作用

图中展示了热致相分离制备各向异性多孔支架、相分离调控水凝胶微观形貌、旋节线分解制备PEG微凝胶、3D打印后壳聚糖水凝胶交联结构，以及激光诱导相分离制备PEDOT:PSS水凝胶微图案，阐明外部条件对相分离行为与最终结构的精准调控效果。

图5 相分离推动水凝胶形成多孔、多级与纤维三类核心结构

图中包括PVA/海藻酸钠一步法制备超微孔水凝胶、自诱导相分离构建双层多孔贴片、相分离与静电交联制备核壳结构纳米纤维水凝胶，证实相分离可赋予水凝胶仿生多尺度结构，为提升力学、生物黏附与载药性能提供结构基础。

图6 相分离水凝胶在生物医学工程中的四大核心应用领域

应用领域分别为组织工程、药物递送、生物传感与生物打印，直观呈现材料从结构设计到实际转化的完整应用版图，明确相分离策略在生物医学领域的全覆盖应用场景。

图7 相分离水凝胶在骨组织工程中的应用实例

图中包括液-液相分离结合界面自组装制备的干细胞驱动骨再生水凝胶支架、3D打印润滑性超分子水凝胶半月板支架，以及镁氧纳米粒子调控相分离构建的仿生骨小梁冷冻凝胶支架，体现相分离在骨修复材料中实现孔结构调控与力学仿生的关键作用。

图8 相分离水凝胶在角膜组织工程中的应用

通过控制水热处理时间调控相分离程度，实现多尺度结构演变，平衡角膜假体的透光性与通透性，同时给出等容条件下不可逆相转变的潜在机制，阐明相分离对角膜修复材料光学与渗透性能的精准调控。

图9 相分离水凝胶在皮肤组织工程中的应用

图中包括双水相相分离构建仿生物组织多层级异质凝胶，以及仿皮肤结构的疏水水凝胶用于糖尿病创面治疗，直观呈现相分离赋予水凝胶仿生结构、智能响应与高效促修复功能的优势。

图10 相分离水凝胶在药物递送中的应用

图中包括温敏性水凝胶聚合物囊泡、相分离法制备载药颗粒，以及非溶剂致相分离制备丝素蛋白多孔水凝胶与作用机制，证实相分离可构建核壳、多孔等结构，实现药物高效包载与可控释放。

图11 相分离水凝胶在生物传感中的应用

图中包括纳米金刚石/PNIPAM‑Ni杂化温度传感器，以及高强力快速自修复抗溶胀水凝胶传感器的制备与网络设计，体现相分离赋予传感器高灵敏、自修复与稳定水下工作的性能。

图12 生物打印技术分类及相分离水凝胶的应用

图中展示五种主流生物打印技术原理、基于可控微相分离的双相3D打印水凝胶在不同打印技术中的应用，以及聚合诱导相分离调控GelMA水凝胶微孔结构配合DLP打印精准构建骨修复支架，阐明相分离大幅提升生物打印成型精度与微观结构调控能力。

全文总结：

本文系统总结了相分离水凝胶的设计、制备与生物医学应用。文章阐释了相分离的热力学与动力学机制，介绍了常用聚合物及工艺调控方法，通过相分离可构建多孔、多级、纤维状等仿生结构，有效改善传统水凝胶力学差、功能单一等缺陷。该类水凝胶已成功用于组织工程、药物递送、生物传感、生物打印四大领域，兼具结构可控、生物相容与功能集成优势。

参考资料：

https://doi.org/10.1016/j.mtbio.2026.103096

来源：EngineeringForLife

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