由悉尼大学领导的一支国际研究团队与韩国延世大学合作，开发出一种新型水凝胶材料，有望彻底改变药物递送方式并支持术后患者的康复。
“将高度支化的高分子与水凝胶结合的可能性非常令人兴奋，”悉尼大学化学学院和悉尼纳米研究所成员、专注于纳米级聚合物研究的ARC未来研究员马库斯·穆尔纳（Markus Müllner）副教授表示。
水凝胶是由对人体安全的聚合物网络制成，能够吸收水分并被塑造成各种形状。它们广泛应用于从化妆品到隐形眼镜和医疗用品的日常产品中。例如，现代水凝胶镜片取代了早期的硬质镜片，后者容易刮伤且阻碍氧气到达眼睛，使佩戴者的眼睛感到疲惫和不适。
水凝胶镜片能够更好地贴合佩戴者的眼睛，并实现更好的“透气性”，从而显著提高佩戴者的舒适度，同时也展示了定制设计这些材料如何增加其在生物医学应用中的潜力。
“大型水凝胶结构如伤口敷料已经帮助了数百万人。现在我们正在创造受自然启发的微观结构，以支持组织生长或递送靶向药物，这可能显著改善手术患者的预后。”
来自自然的灵感
瓶刷花是一种标志性的澳大利亚本土花卉，它启发了一代新型纳米材料的设计——成为先进药物递送系统的构建模块，能够将化疗药物直接递送到需要对抗癌细胞的位置。
穆尔纳副教授是最早证明瓶刷聚合物在纳米医学中用途和潜力的研究人员之一。
受到瓶刷花设计的进一步启发，团队正在开发一种由纳米级瓶刷聚合物网络组成的水凝胶。
靶向癌症药物递送
正如团队在最近的出版物中所描述的那样，这种刷状结构有助于通过简单的自组装创建难以实现的材料，并进一步实现可以可控释放的细胞毒性药物的装载，例如在癌症形成的酸性环境中。
“这改变了材料的性质，使其能够在需要的地方开始发挥作用，而不会影响健康细胞。这种靶向药物递送形式可能为患者提供更有效的治疗方案，并减少副作用，”穆尔纳副教授表示。
无手术刀的手术
团队不仅仅从花朵中汲取灵感。
“在我们的关节内部，有由软骨构成的结构，可以帮助缓冲重击并让我们灵活有力地移动。随着年龄增长，这些结构可能会磨损，导致疼痛甚至残疾。
“我们可以设计水凝胶来支持或替代受损的软骨——让人们重新获得无痛运动。由于这些凝胶会对体内环境作出反应以形成最终结构，我们甚至可以通过注射将其紧密地塑形到骨骼、韧带和肌肉上，从而比当前的手术选项提供更好的适配——所有这一切都无需使用手术刀。”
这一进展可能极大地改善全球17.1亿患有骨关节炎相关疾病的患者的生活质量。
水凝胶还可以作为身体自然愈合过程的支架——为疤痕组织的生长提供结构并加速创伤或手术后的恢复。同样的支架也可以用于支持整形或美容手术后的胶原蛋白生长和肌肉发育，帮助身体更快适应新形态并更好地发挥功能。
支持实验室培养的器官
“我们还在研究利用水凝胶支持类器官，这些类器官是在实验室中由患者自身细胞培养而成的组织，可以替代受损器官的功能。
“通过使用水凝胶保护和支持这些类器官在体内的建立，然后让凝胶随着时间自然溶解，我们可以探索如何使移植手术更加成功，并降低后续手术移除支架、缝线或其他人工支撑结构的风险。”
与韩国的合作
穆尔纳副教授在纳米科学和聚合物开发领域的专业知识享誉世界，并于2022年吸引了韩国延世大学的金炳秀（Byeong-Su Kim）教授的关注，后者提出了共同开发水凝胶的研究合作提议。
“我欣然接受了这个机会，因为延世大学同样是聚合物开发领域的领导者，这是一个向他们学习并利用我们综合优势的绝佳机会，”穆尔纳副教授表示。
悉尼大学与延世大学的战略合作伙伴关系已持续十年，资助了25个由两所大学匹配资金支持的联合项目。延世大学在技术创新方面处于全球领先地位，并与悉尼大学拥有成功的合作研究历史。
金炳秀教授表示：“我们非常感谢与悉尼大学穆尔纳教授团队合作的机会。他们在纳米结构材料方面的专长与我们在生物相容性聚合物系统设计和合成方面的优势相辅相成。通过结合各自的专业知识，我们相信这一伙伴关系将对下一代生物医学材料和疗法的发展做出有意义的贡献。”
该合作得到了2022年悉尼大学-延世大学合作奖的支持。该奖项是悉尼大学全球与研究参与办公室（OGRE）设立的种子基金计划之一，旨在促进和支持与合作伙伴大学的联合倡议。这些计划旨在推动多学科、前沿研究，产生重要的学术和社会影响，并帮助团队获得了包括澳大利亚政府全球科学与技术外交基金（GSTDF）在内的更多资助，这是一个竞争激烈的国际研究合作计划。
未来展望
悉尼大学与延世大学的合作现已扩展至昆士兰科技大学（QUT）、新南威尔士大学（UNSW）以及布里斯班的生物医学公司Gelomics，以进一步开发团队的研究成果。
“我们生产的水凝胶支架将能够根据不同的应用场景进行调整——这意味着它们可以根据需要变得刚性，或者弯曲、伸展和压缩以匹配人体围绕水凝胶的活动，同时递送药物并支持愈合。”
“尽管距离商业产品的问世还有几年的时间，但我们在该项目中开发的材料将设计为与3D打印应用兼容——这是一种新兴的制造新材料的方式，能够生产当前工业流程无法实现的结构。这种灵活且可扩展的制造方法开启了一个全新的世界，能够以前所未有的规模将医疗器械带给世界各地有需要的人。”
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