国家海洋药物和生物制品产业联盟

水凝胶是一种具有高含水量和三维网状结构的高分子材料，因其能够模拟人体组织的湿润、粘弹性环境，在组织工程和再生医学领域发挥着不可替代的作用。近年来，从海洋藻类、微藻和蓝细菌中提取的藻胶（phycocolloids）——包括海藻酸钠、琼脂、卡拉胶、石莼聚糖、岩藻多糖、海带多糖以及蓝细菌胞外多糖等——因其天然来源、生物相容性好、可调控的凝胶行为以及内在的生物活性，成为构建医用功能水凝胶的理想原料。本文基于一篇2026年发表于《Gels》期刊的国际综述，系统梳理了海洋藻类水凝胶的制备策略（物理交联、化学交联、复合杂化体系）、在皮肤修复、软骨与骨再生、神经与心血管工程、药物控释等领域的应用进展，以及作为3D/4D生物打印生物墨水的最新成果，旨在为藻类产业在高端医用材料领域的精深加工与产品开发提供科学参考。

亮点速览

四大藻胶构筑医用水凝胶：海藻酸钠（褐藻）、琼脂/卡拉胶（红藻）、石莼聚糖（绿藻）、岩藻多糖/海带多糖（褐藻）以及蓝细菌胞外多糖，各自具有独特的凝胶机制和生物活性。

物理交联温和友好：海藻酸钠遇钙离子瞬间凝胶化，琼脂和卡拉胶随温度变化可逆溶胶-凝胶转变，均可在生理条件下进行，适合包裹活细胞和敏感药物。

化学交联增强力学性能：甲基丙烯酸化后进行光聚合、碳二亚胺介导的酰胺键交联、点击化学反应等策略，赋予水凝胶更高的机械强度和长期稳定性。

复合杂化体系拓展功能边界：与明胶、胶原、透明质酸等天然聚合物复合，或引入纳米纤维素、羟基磷灰石、石墨烯衍生物等功能纳米材料，可实现力学增强、导电性赋予和骨传导性等多功能化。

全链条医用应用覆盖：从皮肤创面敷料、软骨/骨修复支架、神经导管、心脏补片到药物控释载体，海洋藻类水凝胶展现出从表层到深层组织的广泛适用性。

3D/4D生物打印前沿阵地：海藻酸钠仍是应用最广的生物墨水，而石莼聚糖、卡拉胶和工程化蓝细菌胞外多糖正成为下一代智能生物墨水的重要候选材料。

一、什么是海洋藻类水凝胶？

水凝胶，顾名思义，是一种以水为分散介质的三维网状高分子材料。它的含水量可以高达90%以上，质地柔软、富有弹性，与人体软组织（如皮肤、软骨、肌肉）的物理性质非常相似。因此，科学家们一直在努力开发各种水凝胶，用于修复受损的组织、递送药物，甚至在实验室里“打印”出人造器官。

制造水凝胶的原料有很多，但来自海洋藻类的天然高分子——藻胶——近年来受到了格外的关注。原因有三：第一，藻类生长速度快、不占用耕地、固碳减排，是一种可持续的资源；第二，藻胶的化学结构独特，带有硫酸基团等活性官能团，本身就具有抗氧化、抗炎、抗病毒和免疫调节等生物活性；第三，藻胶的凝胶化过程温和可控，可以在接近人体体温和酸碱度的条件下进行，非常适合包裹活的细胞和脆弱的药物分子。

图1 | 海藻酸的结构

图2 | 琼脂糖的结构

图3主要角叉菜胶/卡拉胶类型：这些结构单元由1,3-连接的β-D-吡喃半乳糖（G-单元）、1,4-连接的α-D-吡喃半乳糖（D-单元）或3,6-脱水-α-D-吡喃半乳糖（DA-单元）组成；其中G4S表示在C4位发生硫酸化修饰的1,3-连接半乳糖单元。

图4 | 石莼聚糖的结构

图5 | 岩藻多糖（a）与海带多糖（b）的结构

本文涉及的藻胶主要包括以下几类：

海藻酸钠：来自褐藻（如海带、墨角藻），遇钙离子即可快速凝胶化，是目前研究最深入的海洋医用高分子。

琼脂和琼脂糖：来自红藻，加热溶解、冷却成胶，具有优异的热可逆性和机械强度。

卡拉胶：来自红藻，根据硫酸基含量分为κ、ι、λ三种类型，可形成不同强度的粘弹性凝胶。

石莼聚糖：来自绿藻（如石莼），具有抗氧化、抗病毒和免疫调节活性，是新兴的医用材料。

岩藻多糖和海带多糖：来自褐藻，前者富含硫酸化岩藻糖，后者是一种β-葡聚糖，均具有突出的抗炎和免疫调节功能。

蓝细菌胞外多糖：由蓝细菌分泌到细胞外的复杂多糖，具有极强的保水能力和金属离子结合能力。

二、水凝胶的制备策略：如何把液态变成固态？

将溶解在水中的藻胶分子转变为具有一定形状和强度的水凝胶，需要借助“交联”手段——就像用绳子把散落的珠子串起来。根据交联方式的不同，可以分为物理交联、化学交联和复合杂化三大类。

（一）物理交联

物理交联是利用非共价作用力（如离子键、氢键、疏水相互作用）使高分子链连接成网，整个过程不使用化学试剂，条件温和，对细胞和药物非常友好。

离子凝胶化：最典型的例子就是海藻酸钠遇到钙离子（Ca²⁺）时的快速凝胶化。钙离子像一座座“桥”，将相邻的海藻酸钠分子链连接起来，形成稳定的三维网络。这个过程在室温下即可完成，因此海藻酸钙水凝胶被广泛用于细胞封装和组织工程支架。

热可逆凝胶化：琼脂和卡拉胶是典型代表。它们的热水溶液在冷却时会形成凝胶，加热后又恢复为流动的液体。这种温度响应的特性使得它们易于成型和加工，非常适合制作细胞培养支架和微流控芯片。

氢键和自组装：某些藻胶分子之间可以通过氢键等弱相互作用自发组装成网络，这种动态可逆的交联方式赋予了水凝胶自愈合和刺激响应等智能特性。

（二）化学交联

化学交联是通过共价键将高分子链永久性地连接在一起，得到的凝胶机械强度更高、稳定性更好，适合承受力学负荷的场景（如骨修复支架）。

碳二亚胺介导的偶联：利用EDC等试剂，将藻胶分子上的羧基与氨基（来自引入的蛋白质或多肽）形成稳定的酰胺键，从而交联成网。

甲基丙烯酸化+光聚合：先在藻胶分子上接上甲基丙烯酸基团，然后在紫外光或可见光照射下引发自由基聚合，实现快速、可控的凝胶化。这种方法非常适合3D生物打印，因为光照可以实现空间图案化。

点击化学：如巯基-烯和叠氮-炔基环加成反应，具有高效、选择性好、副产物少的优点，可以精确控制交联密度和网络结构。

（三）复合杂化水凝胶

单一组分的藻胶水凝胶往往存在力学强度不足、缺乏细胞黏附位点等局限。复合杂化策略通过将藻胶与其他天然聚合物（如明胶、胶原、透明质酸）或功能纳米材料（如纳米纤维素、羟基磷灰石、石墨烯）相结合，取长补短，实现性能的协同提升。

例如，将海藻酸钠与明胶复合，可以引入明胶中的RGD（精氨酸-甘氨酸-天冬氨酸）序列，促进细胞黏附和增殖；加入羟基磷灰石纳米颗粒，可以使水凝胶获得骨传导性，适用于骨组织工程；掺入石墨烯或导电聚合物，则可以赋予水凝胶导电性，用于神经或心脏组织的修复。

三、海洋藻类水凝胶的医用应用

图6 | 胞外多糖（EPS）的生物活性

 （一）皮肤修复与创面敷料

皮肤是人体最大的器官，一旦受损，理想的敷料应该能够保持创面湿润、防止感染、促进细胞迁移和组织再生。海洋藻类水凝胶在这方面有着天然的优势。

保湿与保护：水凝胶的高含水量可以为创面提供一个湿润的微环境，这是加速愈合的关键因素之一。同时，柔软的凝胶可以紧密贴合不规则形状的伤口，起到物理屏障的作用。

抗菌活性：许多藻胶（尤其是硫酸化多糖）本身就具有一定的抗菌能力，可以有效降低创面感染的风险。此外，水凝胶还可以作为载体，负载银纳米粒子、抗生素等抗菌剂，实现局部缓释。

促进再上皮化：石莼聚糖和蓝细菌胞外多糖已被证明可以调节巨噬细胞行为、促进胶原沉积，加速角质形成细胞的迁移和增殖，从而推动伤口的再上皮化过程。

（二）软骨与骨再生

软骨和骨组织需要承受一定的力学负荷，因此对其修复材料的要求较高。海藻酸钠和琼脂糖水凝胶在这两个领域积累了最多的研究证据。

软骨再生：海藻酸钠和琼脂糖水凝胶可以在温和条件下包裹软骨细胞，维持其圆形形态（这是软骨细胞保持表型的关键），并促进II型胶原和糖胺聚糖等软骨特异性细胞外基质的沉积。通过调节交联密度和聚合物浓度，可以使凝胶的力学性能匹配天然软骨。

骨再生：单纯的海藻酸盐水凝胶力学强度不足以支撑骨缺损区域。复合策略是关键——将羟基磷灰石纳米颗粒或生物活性玻璃掺入海藻酸盐水凝胶中，可以显著增强其骨传导性，促进骨髓间充质干细胞向成骨细胞分化，加速矿化沉积。

（三）神经组织工程

神经组织柔软且需要电信号传导，这对修复材料提出了特殊要求。海洋藻类水凝胶通过与导电聚合物（如聚吡咯、PEDOT）复合，可以同时满足这两个条件。

软硬度匹配：藻胶水凝胶的模量与神经组织相近，不会对周围神经造成机械损伤。

导电性赋能：导电聚合物的引入使水凝胶能够传递电信号，支持神经元的黏附、铺展和突触形成。定向排列的纤维结构还可以引导轴突的生长方向，促进受损神经通路的重建。

电刺激疗法：导电水凝胶可以作为电极与神经之间的接口，传递低强度电刺激，增强神经元存活率和突触活性，加速功能恢复。

（四）血管与心脏应用

心血管组织需要良好的血液供应和同步的电-机械耦合。海洋藻类中的硫酸化多糖在化学结构上与人体细胞外基质中的糖胺聚糖非常相似，能够与血管内皮生长因子（VEGF）和成纤维细胞生长因子（FGF）等促血管生成因子相互作用，稳定并递送这些因子，促进新生血管的形成。

在心脏组织工程中，海藻酸盐水凝胶可以作为注射性支架，填充心肌梗死后的瘢痕区域，提供力学支撑，同时递送心肌细胞或干细胞，改善心脏功能。与导电填料复合后，还可以帮助恢复心脏的电传导特性。

（五）药物递送

海洋藻类水凝胶的多孔网络结构使其成为理想的药物载体。药物的释放速度可以通过调节交联密度、聚合物浓度和环境条件（如pH、离子强度、温度）来精确控制。

控释与缓释：药物分子在凝胶网络中扩散或被降解过程释放，可以实现从几小时到数周的持续给药。

保护敏感药物：蛋白质、多肽、核酸和益生菌等敏感治疗剂可以被包裹在水凝胶内部，免受体内酶的降解。

靶向递送：藻胶的黏附特性（尤其是硫酸化多糖）可以与炎症部位或黏膜表面发生特异性相互作用，提高药物在病灶部位的滞留时间和治疗效果。

四、3D生物打印与先进生物制造

3D生物打印是当前组织工程领域最具革命性的技术之一，它允许科学家按照预设的数字模型，逐层“打印”出含有活细胞的三维结构。而“墨水”的选择是决定打印成败的关键。

海洋藻类水凝胶因其优异的剪切变稀特性（挤出力消失后迅速恢复粘度）和快速凝胶化能力，成为生物墨水的热门候选材料。

海藻酸钠：仍然是使用最广泛的生物墨水。其离子交联速度快，打印后可以立即稳定结构，且与多种哺乳动物细胞兼容。

石莼聚糖：带有硫酸基团的活性结构，可以提供更好的细胞-基质相互作用和免疫调节功能。

卡拉胶：具有热可逆凝胶化特性，可以在打印过程中通过温度控制实现快速固化。

工程化蓝细菌胞外多糖：通过基因工程改造，可以定制化地调整其化学成分和流变特性，为智能生物墨水的开发开辟了新途径。

展望未来，4D生物打印代表了更前沿的方向。它使用对环境刺激（如pH、温度、离子强度）响应的智能材料，使打印出来的结构能够在植入后随着时间的推移自动变形或功能化，更加贴近自然发育和愈合过程。

五、挑战与未来展望

尽管海洋藻类水凝胶在医用领域展现出巨大的潜力，但从实验室走向临床应用仍面临不少挑战：

批次间差异：天然藻胶的化学成分会因藻种、季节、产地和提取方法的不同而波动，导致凝胶性能的不一致。建立标准化的提取和纯化工艺至关重要。

力学强度不足：多数物理交联的水凝胶机械强度较低，难以直接用于承重骨骼或软骨的修复。化学交联和复合杂化策略虽有所改善，但仍需进一步优化。

标准化表征缺失：不同研究团队使用的流变学、降解动力学、生物活性测试方法各异，结果难以横向比较。建立统一的表征指南将加速监管审批和临床转化。

规模化生产的可持续性：如何在大规模培养条件下获得高质量、低成本的藻胶原料，同时兼顾环境友好性，是产业化必须解决的问题。

展望未来，以下几个方向值得重点关注：

基因工程育种：通过对藻类和蓝细菌进行基因改造，定向生产具有特定硫酸化模式、分子量和官能团的多糖，实现从“被动提取”到“主动设计”的跨越。

多功能杂化水凝胶：将藻胶与生物活性肽、纳米材料和合成高分子有机结合，开发集力学增强、生物信号传导和环境响应于一体的智能材料。

临床转化推进：加强与监管机构的沟通，完善安全性评估体系，推动更多海洋藻类水凝胶产品进入临床试验阶段。

结语

海洋藻类水凝胶以其可持续的来源、优异的生物相容性和丰富的功能可调性，正在成为再生医学和药物递送领域的新一代明星材料。从简单的创面敷料到复杂的3D打印器官，从软骨修复到神经再生，这些源自大海的“绿色胶水”正在书写医用生物材料的新篇章。对于拥有丰富海洋资源和雄厚海藻养殖基础的山东省而言，这一领域蕴含着从传统食品加工向高端医用材料产业转型升级的重大机遇。

参考文献：Pereira, L., & Valado, A. (2026). Marine Algae Hydrogels as Emerging Biomaterials for Medicine. Gels, 12, 228. DOI: 10.3390/gels12030228

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