以更易管理和无痛的方式为患者提供更严格的血糖控制的1型糖尿病治疗一直是下一代糖尿病治疗的重点。在许多这些新兴技术中，即自我调节的胰岛素输送和细胞替代疗法，水凝胶被用来缓解某些最长期的挑战。岁末12月29日，美国常春藤名校康奈尔大学马明林助理教授协同QingshengLiu研究员团队在《ChemicalReviews》综述了关于’’HydrogelsinEmergingTechnologiesforType1Diabetes’’一文，作者总结了水凝胶用于胰岛素输送和用于1型糖尿病管理的胰岛素产生细胞疗法的最新发展。首先概述用于智能胰岛素递送的葡萄糖敏感性水凝胶，用于口服胰岛素递送的pH敏感性聚合物水凝胶以及用于触发胰岛素从水凝胶释放的其他理化信号的观点。然后，研究水凝胶在胰岛素分泌细胞封装中的用途，特别侧重于旨在减轻异物反应，提供合适的细胞外微环境并通过补氧和血管形成改善质量转移的水凝胶。还考虑了局限性的评估和有希望的未来研究方向。将需要持续的跨学科和协作研究努力来生产具有指导性生化微环境的水凝胶，以应对新兴的1型糖尿病疗法的持久挑战。
1型糖尿病（T1D）是一种免疫介导的慢性疾病，困扰着全球成千上万的人。糖尿病的主要症状-口渴（多饮）和尿频（多尿），在许多文明中已被公认是一种病理学，尽管直到年才提出它与胰腺的联系。不同的胰腺细胞簇，如今被称为朗格汉斯岛的胰岛，最早在年被其同名保罗朗格汉斯（PaulLangerhans）在组织学领域发现，并与本世纪初T1D的发病机制有关。此后不久，对T1D作为朗格汉斯岛胰岛葡萄糖控制分泌功能异常的基础的当代理解就出现了。在健康个体中，胰岛可通过动态调节胰岛素分泌来精确调节血糖，从而诱导骨骼肌，肝脏和脂肪细胞摄取葡萄糖。T1D患者的血糖控制丧失会导致急性症状，例如传统指标，多饮，多食（饥饿过度），多尿和慢性高血糖（未经治疗），例如低血糖意识不足和酮症酸中毒。
鉴于慢性高血糖症的严重后果以及以膳食为基础的胰岛素注射的负担，已投入大量资金来改善T1D患者的糖尿病护理。但是，现代疗法有其自身的局限性。因此，新兴的方法试图通过提供长期的自主胰岛素输送来进一步加强血糖控制并减轻患者依从性的负担。两种下一代技术可分为以下几类：（1）刺激反应性胰岛素释放材料和（2）聚合物包裹的胰岛或干细胞衍生的胰岛素产生β细胞（SC-βs）。两者这些策略基于一类卓越的材料，即水凝胶-亲水性聚合物链或分子网络的交联三维网络，它们吸收的重量和体积是水中的许多倍。
水凝胶用于医疗应用的历史可以追溯到年代，当时Wichterle和Lim提出在隐形眼镜中使用甲基丙烯酸羟甲酯（HEMA）的水合网络。从那时起，水凝胶因其可调节的物理性能，可控制的降解性以及易于制造而在生物材料的设计中发挥了重要作用。由于水凝胶含有大量的水（约70–99％），因此它们具有出色的生物相容性，并具有将亲水性药物（例如胰岛素），细胞和其他材料包裹在其基质结构中的能力。还可以调整交联网络，以限制外部蛋白质的渗透，从而保护生物活性治疗剂免受向内扩散酶的降解。因此，在基于水凝胶的治疗剂递送方面已经取得了巨大的进步。
2.用于胰岛素输送的水凝胶
2.2葡萄糖响应型水凝胶，用于智能胰岛素输送
通过刺激响应性物质进行化学控制的胰岛素递送引起了极大的兴趣。特别地，已经广泛研究了将葡萄糖反应性成分掺入胰岛素或胰岛素递送系统中的技术以用于生物反应性递送。简而言之，将葡萄糖感测部分（例如葡萄糖氧化酶（GOx），苯基硼酸（PBA）和葡萄糖结合分子）偶联到葡萄糖敏感的输送系统上，包括膜，核小体，细胞，微针贴片和微胶囊/纳米凝胶或块状水凝胶。然后这些输送系统通过葡萄糖诱导的结合能力变化或系统结构变化（例如基质溶胀/收缩，物质溶解，孔径变化和/或载体降解）释放胰岛素（图1）。使用葡萄糖反应性水凝胶进行智能胰岛素输送。
图1.用于葡萄糖反应性胰岛素释放的葡萄糖结合部分的示意图。（a）葡萄糖的葡萄糖氧化酶转化为葡萄糖酸导致pH的局部降低和过氧化氢形成的增加。然后可以利用这些微环境的局部变化通过基质降解或溶胀促进胰岛素释放。（b）葡萄糖结合分子-聚合物复合物上糖结合位点的竞争性结合导致复合物在高葡萄糖条件下解离。（c）不带电荷的硼酸盐与带电荷的硼酸盐之比的葡萄糖依赖性变化影响聚合物溶解度，促进葡萄糖敏感性胰岛素的释放。
2.2.1.1pH响应系统
pH敏感的水凝胶可以响应局部微环境中的pH改变而发生明显的体积变化。在低pH值下，碱性水凝胶会被离子化，因此会因电荷排斥而膨胀，而酸性水凝胶会失去电荷，导致它们在相同条件下收缩。利用这些相互作用可以构建pH响应水凝胶基质。用于葡萄糖依赖性胰岛素释放（图2）。
图2.基于葡萄糖氧化酶的胰岛素递送机制。
2.2.1.2H2O2响应式微针贴剂
微针已成为一种吸引人的透皮给药技术，可无痛地输送各种大小的活性药物。几项成功的人类临床试验表明，空心微针的使用可以改善经皮输送的胰岛素，从而调节葡萄糖水平，促进对葡萄糖敏感的智能胰岛素斑块的发展趋势（图3）。
图3.葡萄糖反应性微针装置的示意图。（a）缺氧敏感的微针阵列贴片装载GOx和胰岛素的示意图。在高血糖情况下，GOx氧化葡萄糖会形成低氧环境。一旦疏水性的材料（例如2-硝基咪唑）被转化为亲水形式（例如2-氨基咪唑），即促进了微针的解离以释放胰岛素。（b）从微针释放pH敏感性胰岛素的示意图。在这些系统中，在高血糖条件下暴露于GOx生成的H2O2会导致游离胰岛素从用于构建贴剂的H2O2交联剂的降解中快速释放出来。（c）基于硼酸的微针贴剂的示意图。葡萄糖与这些构建体的结合导致网络电荷排斥引起的渗透性增加，从而去除了曾经疏水的“皮肤层”，从而促进了胰岛素的释放。
2.2.2葡萄糖结合蛋白系统
凝集素是代表一类碳水化合物结合剂的蛋白质，可以在葡萄糖反应性水凝胶的发展中用作天然受体。伴刀豆球蛋白A（ConA）最初从千斤顶豆中提取，是葡萄糖反应性系统研究最多的凝集素。以下小节重点介绍了使用葡萄糖结合蛋白（特别是ConA）作为智能胰岛素输送载体的葡萄糖检测方法（图4）。
图4.基于伴刀豆球蛋白A的胰岛素递送系统。
2.2.3苯硼酸体系
长期以来，人们一直在探索基于PBA的材料来进行葡萄糖反应性胰岛素的输送，因为与基于蛋白质的系统（例如，GOx和ConA）不同，这些合成化合物独特且用途广泛的反应性提供了长期稳定性和可储存性，使其成为耐用使用的理想选择在生理条件下（图5）。硼酸在医疗设备中的广泛应用最重要的化学特征之一是它们与二醇形成可逆共价复合物的能力（图5a）。葡萄糖依赖性的不带电荷和带电荷的硼酸酯之间的比例变化会影响聚合物的溶解度，从而为二醇敏感的胰岛素释放奠定基础（图5b）。
2.2.3.1块状水凝胶
已经开发了几种本体水凝胶制剂作为胰岛素递送载体。在高葡萄糖条件下，所谓的“皮肤层”变得亲水，从而增加了用于胰岛素释放的膜的渗透性，其作用在低葡萄糖条件下是可逆的。将这种水合作用的“皮肤层”与带孔的硅胶导管相结合，创建了一种人造的胰腺样装置，该装置可通过皮肤层驱动的扩散来释放胰岛素，以响应生理相关的葡萄糖浓度的变化（图5c）
2.2.3.2微凝胶/纳米凝胶
减小胰岛素载体的大小是经常用于加快葡萄糖反应系统的反应时间的一种策略。类似于块状水凝胶，葡萄糖和APBA的结合会导致微凝胶/纳米凝胶载体溶胀或解离，从而促进胰岛素释放（图5d）。
2.2.3.3微针和膜
如上所述，已经有关于胰岛素递送微针贴片与GOx-封装的聚合物纳米胶囊整合的报道。为了解决这些局限性，Gu小组设计了几种基于PBA的聚合物微针贴片（图3c）用于胰岛素递送，这些贴片成功地调节了大小动物模型的血糖。
图5.基于苯基硼酸的递送系统。（a）水溶液中硼酸和二醇的可能平衡。葡萄糖依赖性的不带电荷的硼酸盐和带电荷的硼酸盐之间的比率变化会影响聚合物的溶解度，从而为二醇敏感的胰岛素释放奠定基础。（b）硼酸二醇结合的示意图，该结合导致胰岛素释放载体基质的渗透性增加。（c）由Kataoka团队开发的胰岛素输送装置的示意图。在低葡萄糖条件下，疏水性硼酸会阻塞胰岛素加载导管的孔，从而阻止胰岛素释放。在高血糖条件下，葡萄糖结合增加了“皮肤层”的渗透性，从而允许胰岛素释放。（d）微量/纳米凝胶和核-壳配方中胰岛素释放的示意图。
2.3用于口服胰岛素递送的pH敏感型聚合物水凝胶
由于口服服药会大大改善患者的依从性和生活质量，因此开发口服给药的胰岛素途径引起了人们的极大兴趣（图6）。
图6.pH反应性胰岛素输送纳米颗粒的示意图和功能研究。
2.4粘膜粘附和外部刺激的水凝胶
除了由局部刺激或自我调节指导的策略外，还结合了外部驱动的刺激和相应的水凝胶平台来触发按需胰岛素的递送。尽管需要一定程度的患者交互作用，这些方式仍然有助于创建动态响应胰岛素输送系统的策略组合。
2.4.1用于鼻腔和肺部胰岛素输送的粘膜粘附水凝胶
已广泛研究了类似于口服给药的鼻内胰岛素输送，以克服胰岛素注射疗法的局限性（图7）。
图7.用于肺胰岛素递送的纳米颗粒制剂的图像和示意图。
2.4.2电，超声和磁触发的胰岛素输送
已经探索了将电场从外部触发所用药物的释放，以实现微创胰岛素输送（图8）。
图8.超声，拉伸和电压触发的胰岛素输送。（a）用于通过超声介导的技术输送胰岛素的纳米网络的示意图。在超声刺激下，纳米网络分解，导致胰岛素释放。超声刺激的去除导致网络的重组。（b）用于电压触发的胰岛素释放的电沉积技术的示意图。加载胰岛素的水凝胶平台响应于施加正电势或负电势引起的局部水凝胶微环境的变化释放胰岛素。（c）拉伸触发式胰岛素输送装置的示意图。当拉伸时，微凝胶贮库的压缩和增大的表面积促进胰岛素释放。可以将这样的系统组合到微针贴片中，以进行用户控制的胰岛素输送。
3.细胞替代疗法中的水凝胶
3.3异物反应
异物反应（FBR）是宿主组织对异物植入物的多层反应。鉴于植入物的体内性能取决于FBR的严重程度，因此了解其潜在的生物学机制非常重要。FBR是通过将各种宿主蛋白非特异性吸附到植入物表面上而引发的。吸收的蛋白质及其展开的程度随后会影响局部巨噬细胞的反应（图9）。
图9.植入物与宿主接触后异物反应过程的示意图。FBR的形成涉及几个阶段：蛋白质吸附；中性粒细胞和单核细胞募集；巨噬细胞活化和融合形成巨细胞；成纤维细胞募集并激活，在植入物周围形成纤维囊。
3.3.2水凝胶和FBR的物理和几何性质
大量文献表明，FBR对植入的生物材料（包括水凝胶）的几何和物理特性高度敏感（图10）。
图10.受FBR影响的水凝胶的物理和几何性质的示意图，包括（a）植入物尺寸，（b）植入物几何形状，（c）植入物表面粗糙度和（d）植入物模量。
3.3.5.2化学改性藻酸盐
还研究了用官能团修饰藻酸盐以提高生物相容性的方法（图11）。
图11.有效减轻FBR的改性藻酸盐的化学结构，图像和功能研究。（a）三种铅修饰藻酸盐共轭物（Z2-Y12，Z1-Y15和Z1-Y19）的化学结构。（b）两性两性修饰藻酸盐的化学结构。（c）在C57BL/6J小鼠腹膜内植入后14d从不同的两性离子修饰的藻酸盐制备的微胶囊的相差图像，以及相应的H＆E染色组织学分析。（d）在天的研究中，两性离子修饰的藻酸盐（SB-SLG20）微胶囊可改善小鼠的糖尿病矫正。
3.4细胞存活和传质
为了使细胞替代疗法有益于受体，移植的细胞必须具有足够的营养和氧气供应，以维持其功能。分离和封装后，在细胞和宿主血流之间出现了扩散屏障。即使在裸露的胰岛移植中，胰岛（植入后在急性丢失事件中幸存的那些胰岛）的血管化也很差，因此大多数细胞通常距互穿血管数个细胞层，而实际上，天然胰岛中的所有细胞都直接与一个相邻，而血液以动态的方式进行灌输。
3.4.1水凝胶增加氧合
如上所述，氧被认为是胰岛包封系统中的限制性营养素。没有增强的氧合作用，胰岛必须稀疏地分布在包封的水凝胶中，因此，预计移植物的大小将超过外科手术移植的合理体积。因此，增加向胰岛的氧气输送可允许以更高的密度播种，从而减少治疗功效所需的必要移植体积。不幸的是，由于不良的水氧溶解度和相对较慢的氧扩散性，水凝胶在人体温度下自然是不良的氧载体。然而，它们可以被修饰以支持可以赋予更高氧合的其他试剂。因此，已经开发出了基于水凝胶的系统来封装可增加氧气溶解度和渗透性或提供局部氧气输送或生成的试剂（图12）。
图12.水凝胶封装的胰岛的氧气供应。
3.4.2水凝胶用于血管募集
许多水凝胶特性也可能影响移植物内部或附近的血管募集（图13）。移植物血管形成的增加除了营养供应的增加以外，还提供了其他好处：从理论上讲，坚固的脉管系统应减少葡萄糖感测和全身性胰岛素输送之间的延迟时间。
图13.水凝胶封装的细胞的血管化策略。（a）示意图说明封装系统之间的区别，封装系统可防止血管向内生长并提供免疫隔离，而“开放式”系统则允许血管向内生长但因此不提供免疫隔离。（b–g）改善血管生成的化学，物理和生物学特性：（b）某些促血管生成化学物质，（c）散装水凝胶中较大的微孔，（d）较粗糙的表面，（e）散装水凝胶的刚度较高，并且输送（f）促血管生成因子或（g）促血管生成细胞在基于水凝胶的细胞包封系统中增加血管生成。
3.4.3ECM模拟的水凝胶设计
水凝胶最常被用作移植的胰岛或产生胰岛素的细胞的包封材料，因此代表了人工ECM。大量的文献表明，ECM的许多特征赋予了影响细胞功能的线索。尽管回收细胞是必需的，但胰岛分离过程使胰岛暴露于许多应激源，包括胶原酶和机械剪切，这会破坏细胞的ECM。毫不奇怪，ECM损伤会降低胰岛功能，因此，出现了许多在隔离后减轻或修复胰岛ECM的方法（图14）。
图14.基于水凝胶的细胞封装系统中的ECM模仿。
3.5各种设备几何形状的水凝胶
已经出现了用于植入包封的治疗细胞的各种各样的植入结构。它们的范围从宏观到纳米，每种样式都具有独特的优点和缺点。对于水凝胶，必须针对不同的设计规模考虑不同的现象。
3.5.1宏观设备
已经提出了几种用于胰岛包封的宏观装置，包括平面膜，水凝胶片，中空纤维和圆柱形结构（图15）。
3.5.1.1水凝胶片
可能的最简单的设计可能是IsletSheet设备，该设备由夹在两个无细胞藻酸盐层之间的薄的（μm）含胰岛的藻酸盐平板组成。将包裹同种异体胰岛的IsletSheet设备缝合到恢复常血糖的犬大网膜中84天，回收的胰岛保持其生存能力和功能。尽管在大型动物中取得了成功的治疗效果，但该装置容易破裂，并增加了胰岛突出的风险，不幸的是，这两者都是临床上无法接受的缺陷。
3.5.1.2水凝胶纤维
载有胰岛的水凝胶纤维已经成为克服胰岛移植挑战的一种有前途的方法，因为该纤维具有均匀的尺寸控制分布，易于与其他材料组装以增强机械强度，良好的传质性和简单的批量生产。
图15.用于胰岛封装的宏设备。（a）使用双同轴微流控设备制造载有胰岛的钡-海藻酸核-壳水凝胶的示意图。（b）TRAFFIC装置设计的示意图。（c）NEED设备设计的示意图。（d）含胰岛的胶粘剂PEG-儿茶酚水凝胶装置的示意图。（e）由粘性水凝胶层和胰岛包封层组成的胰岛绷带的示意图。
3.5.2微囊化
胰岛微囊化在此定义为将单个或少量胰岛或SC-β簇囊化成直径从数百微米到几毫米不等的胶囊的过程。微囊化具有几个优点。与大型设备相比，微胶囊具有更高的表面积体积比，这有利于促进传质。
3.5.2.1微囊化技术
有几种主要技术可用于产生用于胰岛包封的微胶囊。电喷雾技术（“电动喷雾”的简写）已广泛用于生产用于各种生物医学应用的精细聚合物颗粒。电喷雾过程对于细胞是安全的，因为即使电压达到几千伏，也使用相对较低的电流（通常在纳安范围内）。为了制造载有胰岛的藻酸盐微胶囊，将胰岛悬浮于粘性藻酸盐溶液中，然后通过充有高压的针头将其分配。这种高电压迫使液滴从针尖掉下并进一步破碎成较小的含胰岛的微滴。
3.5.2.3琼脂糖微胶囊
琼脂糖像藻酸盐（一种从海藻中提取的多糖）一样，是一种热固性水凝胶，响应温度降低，它会发生适度的凝胶化。
3.5.2.4基于PEG的微胶囊
几种温和的交联反应化学的最新发展使得有可能在细胞包封中使用PEG水凝胶，同时避免使用细胞毒性的自由基和紫外线。
3.5.3超薄胰岛水凝胶图涂层
宏观和微观封装的替代方法是在极薄的纳米级水凝胶涂层中涂覆胰岛或产生胰岛素的细胞簇。与传统方法相比，这种策略被称为“纳米封装”。最重要的是，即使很小的微胶囊（例如直径μm）也太大而无法在门静脉中移植，因此用最小厚度的水凝胶层包被胰岛保留了在广泛使用的肝内部位移植的能力。
3.5.3.1PEG涂层
正如本评论经常确认的那样，PEG和衍生物是胰岛包封的常用聚合物。在超薄胰岛水凝胶涂层的历史发展中尤其如此（图16）。
图16.胰岛PEG化。（a）图解说明将薄的PEG基层附着到胰岛表面的方法的示意图：（左上）通过光引发的界面聚合进行PEG化，（右上）通过微流体“收缩包裹”涂覆保形PEG涂层，（左下）共价PEG与胰岛表面蛋白的结合，以及（右下）通过疏水作用将PEG整合到外周胰岛蛋白的细胞膜中。（b）显示示例化学结构和将基于PEG的聚合物共价键合到胰岛表面蛋白的化学反应的示意图。（c）通过脂质部分（粉红色）自发整合到细胞膜中的示例脂质-PEG聚合物的化学结构。
3.5.3.2多层水凝胶涂层
在早期研究中，藻酸盐微囊通过与聚阳离子（例如PLL或聚-1-鸟氨酸，PLO）凝聚而增强，并且常常通过附加的藻酸盐层来增强。包括补充水凝胶层的沉积，以防止降解并提高机械强度，并确保总的胰岛覆盖率。尽管最近的微囊化方法已经放弃了这种做法（部分是由于PLL带来的毒性），但最近已经研究了多层水凝胶涂层用于胰岛纳米囊化。通常通过一次在每一层上沉积一层来制造这种纳米膜，因此得名LBL组件（图17）。
图17.逐层胰岛涂层。（a）示意图，显示了纳米级胰岛涂层（左）和代表性聚合物（右）的静电逐层组装。（b）利用单宁酸和PVPON之间的氢键的示例性逐层涂层。（c）利用生物素偶联的PLL-g-PEG和链霉亲和素之间的链霉亲和素-生物素相互作用的示例性逐层包衣。
参考文献：
doi.org/10./acs.chemrev.0c
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