关键词：海藻酸盐、聚乙烯醇 (PVA)、聚丙烯酰胺 (PAAM)、PAAM-PAMPS 双网络水凝胶、疏水炔基 PPA

A modular hydrogel system with independent control of bioadhesion, fibrosis, and stiffness

Science Advances，24 Jun 2026，Vol 12, Issue 26

DOI: 10.1126/sciadv.aee3894

一、设计思路

传统一体化水凝胶存在功能与刚度相互制约的固有缺陷，调整基体力学性能会同步改变表面生物界面特性；本研究提出分层模块化解耦设计，将力学载体与生物功能层完全分离：

1、底层水凝胶基体层：可独立调控材料刚度，通过海藻酸盐、PVA、单网络PAAM、双网络PAAM-PAMPS等不同高分子网络，实现1 kPa–1 MPa全软组织刚度区间覆盖，适配心脏、皮下、脏器等不同软组织的模量需求；

2、表层聚合物刷涂层：可独立调控生物界面功能，通过改变刷层化学组成、厚度及接枝密度，在不改变底层力学性能的前提下，稳定调控生物黏附与抗纤维化性能；

3、两种典型刷层体系：超亲水两性离子PMPC刷层（可抑制纤维化、抗蛋白吸附）、疏水炔基PPA刷层（能提供组织黏附界面），可按需组合实现双功能协同。

二、核心性能调控机制

1、生物黏附性能独立调控

底层刚度变化不会削弱界面黏附能，整套体系可稳定维持约100 J/m²的组织黏附能，显著优于纤维胶、PEG黏附材料、拓扑黏附水凝胶等传统体系；PPA疏水刷层通过构建疏水界面，与软组织形成物理缠结及界面作用力，实现湿态下的稳定生物黏附。

2、长效抗纤维化调控

PMPC两性离子刷层可构建致密水化层，阻隔蛋白与细胞吸附，抑制异物反应引发的纤维囊增生；动物实验验证，将其植入免疫健全小鼠体内40天，未观察到明显纤维包膜形成，有效解决了植入体长期因纤维化失效的难题。

3、力学刚度宽范围可调

基体高分子网络可自由切换（如海藻酸盐、半结晶PVA、单网络聚丙烯酰胺、PAAM-PAMPS双网络等），拉伸强度与断裂应变跨度极大，刚度覆盖从柔软脏器到硬质结缔组织的完整区间；且刷层修饰不会改变基体的拉伸力学曲线，实现了力学性能与界面功能的完全解耦。

三、体内验证应用效果

1、动态心脏植入：模块化水凝胶可在活体跳动的小鼠心脏表面维持稳定的湿态黏附，适配动态形变脏器的植入需求；

2、长期皮下植入：在免疫小鼠体内持续植入40天未产生纤维包裹，生物相容性优异，解决了医用植入材料长期因异物纤维化引发的痛点；

3、普适性优势：仅需更换底层水凝胶即可匹配任意软组织刚度，仅需更换表层刷层即可切换黏附/抗污功能，模块化组装无需重新优化整体配方。

四、创新价值与拓展方向

1、结构创新：打破传统水凝胶“力学-界面功能耦合”的瓶颈，通过分层模块化设计实现刚度、生物黏附、抗纤维化三者的独立调控；

2、工艺优势：刷层后修饰工艺简便，可对任意现成水凝胶基体进行功能改性，通用性强；

3、应用场景：可应用于心脏贴片、皮下植入器件、软组织修复敷料、长效生物传感器、器官界面介入材料等领域；

4、体系拓展思路：可拓展至其他两性离子、多肽、亲水/疏水聚合物刷层，搭配导电、自愈、降解型水凝胶基体，开发多功能植入式生物医用材料。

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