有一类材料具有独特的能力，可以在没有外部援助的情况下从机械、热和化学损伤中恢复过来，从而恢复其原始特性。这些物质被称为 “自愈” 材料，是生物医学领域一个前景广阔的研究领域，它们在伤口护理、医疗器械、药物递送等领域都有应用。
只有某些物质能够自我修复，同时与人体组织和体内的复杂条件相容。我们使用 CAS 内容库进行的最新研究TM 揭示了哪些材料最有可能推动这些生物医学进步，以及哪些申请已经取得了最大的进展。
自修复材料的工作原理
“自我修复” 可以指许多在受损后可以在宏观或分子层面上自我修复的材料。在生物医学申请中，最常用的自修复材料含有聚合物，即键合在一起的大分子，这些聚合物经过改性，可以形成可逆的化学键。各种各样的聚合物，包括壳聚糖等天然衍生材料和聚乙二醇等合成材料，正在自愈生物医学申请中得到积极研究。无机材料、配位化合物和金属在当前文献中也有很好的表现（见图 1）。
聚合物具有柔韧性和生物相容性等特性，这些特性对于在人体中使用非常重要。除了具有其他特性外，它们还可以具有副群，可以对其进行设计，使其参与自我修复的相互作用。例如，自修复材料的化学成分中通常含有氢键，这在蛋白质中很常见，即使在室温下也很容易破裂和重塑。
这种重组是什么样子？假设凝胶状物质被刺穿针头。如果凝胶含有可逆的自愈键，则由于凝胶穿过针头时受到的压力，这些键可能会暂时断开，从而使其变成液体状。
然后，这些键可以重新形成，在注射后恢复体内该物质的凝胶型特性。
当前和未来的医疗申请申请
自愈材料已经用于许多植入设备、伤口敷料和药物输送系统。当今一些最令人兴奋的研究涉及水凝胶，这是一大批水基生物相容性材料，可以设计成具有自愈特性。软性隐形眼镜是水凝胶在生物医学中的一个例子，但研究人员发现这些材料还有更多潜在用途：
- 伤口护理： 水凝胶的柔软度和灵活性可以模仿人体组织，而且它们可以设计成具有抗菌特性，所有这些都有助于伤口愈合。例如，一组研究人员开发了一种水凝胶，可以注射到不规则的深度烧伤口床中。其他人开发了一种可注射的、生物相容的自愈水凝胶，用于治疗经常拉伸的身体部位（例如膝盖和肘部）附近的伤口。
值得注意的是，这些水凝胶中使用了壳聚糖和纤维素等天然聚合物。这些植物衍生材料在体内具有良好的稳定性，并且可广泛获取。它们还可以经过化学改性以具有自愈特性，这就解释了为什么有关水凝胶的出版物中经常引用天然聚合物（见图 2）。
- 组织脚手架： 自愈水凝胶在再生医学中显示出前景，特别是在促进组织和器官发育方面。当充当支架时，这些材料即使受到损伤，也可以在体内自我修复，从而促进组织生长和修复。
例如，研究人员使用聚丙烯酰胺（PAAM）和明胶开发了一种具有机械兼容性的互穿聚合物网络（IPN）水凝胶。PAAM/明胶水凝胶在物理和化学特性上与天然声带组织相匹配，因此它可用作人造粘性组织植入物，用于声音修复。
中国的研究人员还开发了一种用于增肌的纤维-水凝胶复合支架。该纤维由石墨烯、褪黑激素和聚乳酸或聚己内酯等生物相容性聚合物的混合物进行电纺而成，而透明质酸衍生物则用作水凝胶基质。
正如一组研究人员所证明的那样，水凝胶也可以用于硬组织再生。水凝胶复合物含有磷酸钙，与经过聚丙烯酸-羧甲基壳聚糖处理的牙本质基质形成可逆键，然后在基质中形成动态离子和氢键。这项研究表明，水凝胶保留了其生物活性并促进了牙本/骨硬组织的再生。
- 药物输送： 水凝胶可以设计成可逆交联，当它们经历针刺的剪切应变时，这些交联就会断裂。在注射过程中，凝胶会像液体一样流动，然后可以在体内重新形成凝胶。这些材料还可以装载药物，例如装在微胶囊中，这些药物可以运送到目标地点。
例如，研究人员表明，pH值响应的可注射水凝胶可以将癌症治疗药物输送到体内的特定部位，然后在分娩后分解。另一组研究人员使用水凝胶进行化疗，注射后使用超声波喇叭激活药物。另一种水凝胶被注射到肿瘤切除腔中，以针对术后残留的癌细胞进行电疗。这种双相材料使电极能够顺应空腔边缘，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内容库中的文件和引文的分析显示，在过去20年中，有关自愈材料的期刊出版物稳步增长。最近期刊与专利比率的上升表明，重点仍然放在早期开发上，而不是商业化上。
许多化学相互作用可用于赋予聚合物自愈特性，包括共价键和非共价键。共价相互作用的例子包括动态希夫碱键，它广泛用于生物材料，并在过去五年中显著增长。这些联系是基于亲核试剂与醛或酮之间的反应形成键，通常是亚胺或嘧啶，这种键在水存在下是可逆的。这方面的一个例子是基于二醛改性透明质酸和半胱胺混合物的自愈水凝胶。
如前所述，氢键是一种常见的非共价相互作用，还有疏水性、宿主-客体相互作用、静电作用、ω-pi堆叠和金属配体协调相互作用，尤其是儿茶酚和铁（III）离子之间的相互作用。
我们还看到二异氰酸酯的使用显著增加（见图 3），二异氰酸酯用于合成聚氨酯。这表明聚氨酯是自修复材料中的一类新兴物质。最近的专利出版物讨论了用于自愈伤口敷料的聚氨酯和一种基于氢键和二硫键具有自愈特性的肝素功能化聚氨酯。
今天的研究，明天的突破
自修复材料在广泛商业化用于医疗用途之前，仍有许多障碍需要克服。在许多情况下，它们必须经过广泛的临床试验，以确保安全性和有效性。尽管这些创新在很大程度上是实验性的，但它们在个性化医疗和改善患者生活质量方面具有巨大的潜力。它们可以加速愈合，预防感染，在人体难以到达的区域提供药物，并改善辅助身体系统的设备。
通过利用自然界的最佳材料和化学创新，科学界可以通过自愈材料为健康和康复开辟新的可能性。阅读我们的最新消息，详细了解自修复材料和快速发展的生物材料领域的新兴趋势 洞察报告。
本文纳入了与中国西湖大学合作完成的研究。
