有一类材料具有独特的自我修复能力，能够在无需外部干预的情况下，从机械、热力和化学诱导的损伤中恢复，并还原其原有性能。这类被称为“自修复”材料的物质是生物医学领域极具前景的研究方向，在伤口护理、医疗器械、药物输送等方面有着广泛的应用。
并非所有物质都能在保持与人体组织及体内复杂环境兼容的同时实现自修复。我们利用 CAS Content CollectionTM 进行的最新研究揭示了哪些材料在这些生物医学进展中具有最大潜力，以及哪些应用领域已经取得了显著成果。
自修复材料的工作原理
“自修复”是指许多材料在受损后能够在宏观或分子层面进行自我修复的能力。在生物医学应用中，最常用的自修复材料是聚合物（即由大分子键合而成），通过对其进行改性，使其能够形成可逆的化学键。目前，包括壳聚糖等天然衍生材料以及聚乙二醇（PEG）等合成材料在内的多种聚合物，正被积极研究用于生物医学自修复领域。无机材料、配位化合物和金属在现有文献中也占有重要地位（见图1）。
聚合物具有柔韧性和生物相容性等特点，这对人体内的应用至关重要。除了其固有属性外，聚合物的侧基还可以通过工程化设计参与自修复相互作用。例如，自修复材料的化学结构中通常含有氢键，这在蛋白质中很常见，即使在室温下也能轻易断裂并重新形成。
这种重构过程是怎样的？以一种通过针头挤出的凝胶状物质为例。如果凝胶中含有可逆的自修复键，那么当凝胶通过针头时，由于受到的压力，这些键会暂时断裂，使其呈现出液态。
随后，这些键可以重新形成，从而在注射后恢复该物质在体内的凝胶特性。
当前及未来的医学应用
自修复材料已被广泛应用于多种植入式设备、伤口敷料和药物输送系统中。目前最令人振奋的研究方向之一是水凝胶，这是一类以水为基础、具有生物相容性的材料，可以通过工程化手段赋予其自修复特性。软性隐形眼镜就是生物医学中水凝胶应用的一个例子，而研究人员正在发掘这些材料更多的潜在用途：
- 伤口护理：水凝胶凭借其柔软性和柔韧性能够模拟人体组织，并可通过工程化设计具备抗菌性能，这些特性均有助于伤口愈合。例如，一组研究人员开发出一种可注射到不规则深层烧伤创面的水凝胶。另有研究人员开发出一种可注射的生物相容性自修复水凝胶，用于膝盖和肘部等频繁活动部位附近的伤口。值得注意的是，壳聚糖和纤维素等天然聚合物被广泛应用于这些水凝胶中。这些源自植物的材料在体内具有良好的稳定性且来源广泛。它们还可以通过化学改性获得自修复性能，这也解释了为何天然聚合物在水凝胶相关文献中被频繁引用（见图2）。
- 组织支架：自修复水凝胶在再生医学领域展现出巨大潜力，特别是在促进组织和器官发育方面。作为支架使用时，这些材料即使在体内受损也能自行修复，从而促进组织的生长与修复。
例如，研究人员利用聚丙烯酰胺（PAAM）和明胶开发出一种机械顺应性互穿聚合物网络（IPN）水凝胶。这种PAAM/明胶水凝胶在物理和化学性质上与天然声带组织相匹配，因此可作为人工粘合组织植入物用于声带修复。
中国的研究人员还开发出一种用于肌肉再生的纤维-水凝胶复合支架。该纤维由石墨烯、褪黑素和聚乳酸或聚己内酯等生物相容性聚合物的混合物通过静电纺丝制成，并以透明质酸衍生物作为水凝胶基质。
正如一组研究人员所证明的那样，水凝胶也可用于硬组织再生。该水凝胶复合材料含有磷酸钙，能与经聚丙烯酸-羧甲基壳聚糖处理的牙本质基质形成可逆键，随后在基质中形成动态离子键和氢键。这项研究表明，该水凝胶保留了生物活性，并促进了牙本质/骨硬组织的再生。
- 药物递送：水凝胶可设计为具有可逆交联结构，在通过针头时受剪切应力作用会发生断裂。凝胶在注射过程中呈液态流动，进入体内后可重新形成凝胶。这些材料还可负载药物（例如装入微胶囊中），从而递送至目标位置。
例如，研究人员展示了一种对pH敏感的可注射水凝胶，它能将癌症治疗药物递送至体内特定部位，并在递送后降解。另一研究团队利用水凝胶递送化疗药物，药物在注射后通过超声波发生器激活。还有一种水凝胶被注射到肿瘤切除腔中，用于在术后对残留癌细胞进行电疗。这种双相材料使电极能够贴合腔体边缘，同时在肿瘤部位附近产生低压电场。
值得关注的关键材料
我们对CAS内容合集中的文献和引文分析显示，过去20年间，关于自修复材料的期刊论文数量稳步增长。近期期刊与专利比例的上升表明，该领域目前仍侧重于早期研发，而非商业化应用。
许多化学相互作用可赋予聚合物自修复性能，包括共价键和非共价键。共价相互作用的例子包括动态席夫碱键，它在生物材料中应用广泛，且在过去五年中增长显著。这些键基于亲核试剂与醛或酮之间的反应，形成通常为亚胺或肟的键，在水存在下具有可逆性。一个典型的例子是基于二醛改性透明质酸和胱胺混合物的自修复水凝胶。
如前所述，氢键是一种常见的非共价相互作用，此外还有疏水作用、主客体作用、静电作用、π-π堆积作用以及金属-配体配位作用，特别是儿茶酚与铁(III)离子之间的相互作用。
我们还观察到二异氰酸酯的使用显著增加（见图3），它们被用于聚氨酯的合成。这表明聚氨酯是自修复材料中一类新兴的物质。近期的专利文献探讨了用于自修复伤口敷料的聚氨酯，以及一种基于氢键和二硫键、具有自修复性能的肝素功能化聚氨酯。
今日研究，明日突破
自修复材料在广泛应用于医疗领域之前，仍需克服诸多障碍。在许多情况下，它们必须经过严格的临床试验以确保安全性和有效性。尽管这些创新目前多处于实验阶段，但它们在个性化医疗和改善患者生活质量方面具有巨大潜力。它们能够加速愈合、预防感染、将药物递送至体内难以触及的区域，并改进辅助人体系统的医疗设备。
通过将大自然的优良材料与化学创新相结合，科学界有望利用自修复材料开启健康与康复的新可能。欲了解更多关于自修复材料的信息以及生物材料这一快速发展领域的新兴趋势，请参阅我们最新的洞察报告。
本文结合了与中国西湖大学合作完成的研究成果。
