生物体本质上可以被视为高度有序的、天然存在的水凝胶类似系统[1]。在分子尺度上，单个细胞内的动态交联，例如细胞膜与细胞骨架之间的相互作用，提供了结构稳定性和适应性响应[2]。在组织尺度上，细胞外基质成分，包括皮肤中的胶原纤维网络或软骨中的蛋白聚糖网络，建立了有弹性和水合的三维（3D）框架[3]。在这些层次结构中，生物体依赖于动态和可逆的交联来平衡机械强度与适应性，从而使组织能够在持续的生理挑战下保持功能[4][5]。重要的是，生物组织通常含有50-70%的水分，这与合成水凝胶的水合水平和3D网络结构非常接近。从这个角度来看，生物系统本身可以被视为天然水凝胶模型，为人工水凝胶的合理设计提供了灵感[6][7]。
由于具有生物相容性、可调结构和功能适应性，人工水凝胶作为生物材料受到了广泛关注[8]。它们可以由天然聚合物（如海藻酸盐、透明质酸和明胶等）制成，以模拟细胞外基质；或者由合成聚合物（如聚丙烯酰胺和聚乙二醇等）制成，以实现精确的结构和化学修饰[5][9][10]。这些材料已广泛用于组织工程、伤口敷料、药物递送和再生医学的注射平台[11][12]。例如，水凝胶可以通过提供三维多孔环境来支持骨骼和软骨的再生[13]，通过维持湿润的微环境来加速伤口愈合，并通过原位凝胶化实现深层组织的微创修复[14][15]。此外，它们封装治疗剂或活细胞的能力进一步扩展了它们在先进生物医学应用中的用途[16]。
尽管取得了这些成就，大多数传统水凝胶是通过静态交联策略构建的，例如通过化学交联剂介导的共价键合或氢键和疏水效应等弱物理相互作用[17]。这些方法产生的网络稳定但缺乏灵活性[18]。因此，传统水凝胶存在几个固有的局限性[19]。首先，它们缺乏动态适应性：一旦形成，网络结构就固定了，无法有效响应持续的机械变形，导致在关节或肌肉环境中出现脆性或破裂[20]。其次，它们对环境响应能力差，无法感知或响应病变部位的微妙生化变化，如缺氧、氧化应激或炎症[21]。第三，它们的可控性不足：降解速率和药物释放曲线通常是预先确定的，无法与动态组织再生过程同步。总体而言，这些缺点突显了人工水凝胶与天然组织的多功能适应性之间的差异[9]。
相比之下，生物体依赖于动态分子识别来维持结构完整性和调节生物活动[22]。分子识别指的是生物分子之间的特定和可逆相互作用，由结构互补性和非共价力（如氢键、静电相互作用和范德华力）驱动[4]。这一过程体现了两个关键特性：选择性和可逆性。选择性使分子能够在复杂的生物环境中识别并结合特定目标，例如底物相互作用或受体-配体识别[23]。可逆性允许相互作用通过环境刺激（包括pH值、温度或竞争性配体的存在）进行动态调节[24]。这些原理支撑了从基因表达中的核酸杂交到受体介导的信号转导等基本生物功能[25]。本质上，分子识别充当了一个开关，协调多个生物尺度上的动态过程[26]。
将分子识别机制整合到人工水凝胶中是一种克服静态交联局限性的变革性方法[27]。分子识别驱动的水凝胶的核心机制依赖于高度选择性和特定的分子相互作用。通过赋予识别基序自修复能力，水凝胶表现出内在的自修复特性。当结构受到机械破坏时，这些识别基序可以重新组装，从而恢复结构完整性[28]。它们还赋予了刺激响应性，使水凝胶能够根据特定的生化或物理触发因素进行受控膨胀、降解或药物释放[29]。此外，可逆识别提供了适应性机械调节：动态键在外部应力下可以暂时解离以耗散能量，然后重新形成以恢复网络完整性，模仿生物组织的粘弹性行为[30]。这种响应机制在生物传感和靶向药物递送应用中具有明显优势。例如，该系统可以在特定疾病生物标志物存在的情况下选择性地释放治疗剂，表现出“智能”行为。相比之下，基于弱的可逆相互作用（如动态共价键（例如Schiff碱和硼酸酯键）和物理相互作用（例如配位键和氢键）设计的动态水凝胶，并不针对分子特异性，而是旨在赋予卓越的机械性能，包括宏观自修复、可注射性和剪切变稀行为。这些水凝胶模仿了天然细胞外基质（ECM）的粘弹性特性，其动态特性源于网络中众多可逆交联的连续和非特异性断裂和重组。这种能量耗散能力促进了细胞迁移和增殖，使这些材料主要作为动态三维支架用于细胞支持。认识到这两种设计策略之间的区别和相互关系后，很明显，基于分子识别的水凝胶具有更高的智能性和精确性。它们代表了从仅仅复制ECM物理属性的水凝胶到能够模拟其生物信号处理功能的水凝胶的重大进步。通过利用生物分子相互作用的固有高亲和力和特异性，这些系统可以直接解释特定的生物信号并执行复杂的、刺激响应的动作。通过这些机制，基于分子识别的水凝胶在结构和功能维度上更接近天然水凝胶[31]。
将分子识别整合到水凝胶设计中已成为赋予合成网络动态和适应性特性的有效策略[32]。通过整合识别模块（如主客体复合物、核酸杂交、受体-配体结合和凝集素-碳水化合物相互作用），水凝胶获得了对外部刺激的响应能力，并直接与生物过程接口[33]。这种设计范式不仅克服了传统化学交联的静态限制，还为生物医学应用开辟了新的机会[34]。例如，具有可调硬度的主客体水凝胶已被应用于骨骼再生；核酸识别模块可以指导干细胞分化[35]；葡萄糖响应性水凝胶允许控制胰岛素释放[36]，受体-配体系统为伤口修复提供抗菌和自修复性能[33]。此外，基于识别的水凝胶越来越多地被探索作为生物传感器，能够高灵敏度地检测葡萄糖、蛋白质和核酸[37][38]。总的来说，这些例子展示了分子识别作为工程下一代功能性水凝胶的多用途和强大原理的潜力。
本综述全面概述了基于分子识别的动态水凝胶的最新进展（图1）。我们首先介绍了来自非生物和生物系统的代表性识别机制，强调了这些相互作用如何实现可逆和刺激响应的交联。然后我们讨论了它们的生物医学应用，包括组织工程、药物递送、生物传感和伤口愈合，特别强调了基于识别的策略所带来的功能优势。最后，我们分析了这些系统相对于天然组织的当前局限性，并提出了弥合这一差距的未来研究方向。最终，推进基于分子识别的水凝胶设计不仅将扩大它们在仿生材料科学中的应用范围，还将加速智能治疗平台的开发，以实现精准医学。
