藥物工程的案例
：工程菌介導的瘤內時空可控藥物分布
實體腫瘤內因有限的血管分布、致密的細胞外基質以及弱酸性環境等不利因素，導致抗腫瘤藥物在瘤內的富集和滯留效率低下。納米載體能顯著增強抗腫瘤藥物的溶解性和血液循環時間，以及具有改善藥物體內分布等優勢。然而，據統計僅有0.7%左右的納米藥物能被有效遞送至腫瘤部位，雖然在降低藥物毒副作用等方面得到了改良，但如何大幅度提高納米藥物在腫瘤病灶的富集和滯留仍然面臨挑戰。
與藥物分子和納米顆粒不同，細菌可以活躍地游離血管系統并深入腫瘤組織深處，并且能借助腫瘤組織的乏氧區域以及免疫抑制環境長期定植于腫瘤內部。因此，細菌為瘤內藥物遞送及滯留提供了機遇。基于此，上海交通大學劉盡堯團隊報道了基于工程菌的實體瘤內聯合藥物的時空可控分布，可重編程免疫抑制微環境以優化抗腫瘤功效。
研究人員通過聯合基因工程和高分子化學手段，同時對細菌內外進行修飾，使細菌胞內負載光熱黑色素分子的同時表面通過多巴胺原位聚合錨定免疫檢查點抑制劑PD-1抗體。由于能夠充分定植于缺氧的瘤內環境中，細菌在離體腫瘤組織和小鼠在體腫瘤內均實現了光熱試劑和 PD-1 抗體均勻且持久的分布。值得一提的是，黑色素的時空可控分布提供了較長的治療窗口期，可通過激光輻照重復產生適度且均勻的熱量，以誘導強有力的熱觸發抗腫瘤免疫。與瘤內分布均勻且滯留持久的PD-1抗體相結合，雙重修飾的細菌可實現雙重免疫激活效應，協同重編程腫瘤免疫微環境。研究人員在小鼠皮下和原位乳腺癌模型中證明了這種方法的治療潛力，在抑制腫瘤生長和延長存活期方面均具有顯著優勢。
展開 華中科技大學張春教授課題組Angew：手性多孔聚合物取得新進展
4月29日，國際期刊《德國應用化學》（Angewandte Chemie International Edition）（IF=12.959）在線發表了華中科技大學生命學院、國家納米藥物工程技術研究中心張春教授課題組的關于手性多孔聚合物的研究進展，論文題目為“Triptycene-based Chiral Porous Polyimides for Enantioselective Membrane Separation”。
手性分子通常在生物學和藥理學上表現出不同的活性，因此關于手性分離的研究一直以來都被廣泛關注。近年來，膜分離技術因其簡單、低能耗的特點而被用來進行手性分離的研究。然而，膜的手性選擇性和透過率之間的矛盾限制了膜分離技術在手性分離中的應用。手性多孔聚合物薄膜的手性和多孔特性不僅保證了透過率，還提升了手性選擇性，為解決手性膜分離的選擇性和透過率之間的矛盾提供了新的可能。
張春教授課題組長期從事有機多孔材料的合成及其應用研究。在此工作中，利用手性三蝶烯為構筑單元，合成了手性多孔聚酰亞胺（R-FTPI與S-FTPI），并制備了相應的手性分離膜。此手性膜對消旋的聯萘酚、萘乙醇和扁桃酸具有良好的手性分離效果。
華中科技大學生命學院博士生張清璞、博士后王震博士、本科生張哲聞為論文共同第一作者，華中科技大學生命學院張春教授為論文通訊作者。生命學院碩士翟天龍、陳靜靜、博士生馬輝參與了部分工作。論文完成過程中，化學與化工學院譚必恩教授給予了有建設性的意見和指導。
展開 生物制藥材料
外源基因的拷貝數 外源基因的表達效率 表達產物的穩定性 細胞的代謝負荷 工程菌的培養條件
基因工程藥物的分離純化？胞內產物：細胞破碎→固液分離→包含體→變性→復性→濃縮→初步分離→高度純化→制劑→產品 胞外產物，直接經過濃縮→初步分離→高度純化→制劑→產品。
蛋白質工程的主要步驟通常包括*：1從生物體中分離純化目的蛋白；（2）測定其氨基酸序列；（3）借助核磁共振和X射線晶體衍射等手段，盡可能地了解蛋白質的二維重組和三維晶體結構；（4）設計各種處理條件，了解蛋白質的結構變化，包括折疊與去折疊等對其活性與功能的影響；（5）設計編碼該蛋白質的基因改造方案，如點突變；（6）分離、純化新蛋白，功能檢測后投入實際使用
生物技術藥物的特征分子結構復雜 具有種屬特異性 治療針對性強、療效高 穩定性差 基因穩定性 免疫原性 內的半衰期短 受體效應 多效性和網絡性效應 檢驗的特殊性
基因工程克隆載體的特點：1有復制子②有單一限制內切酶切位點或多克隆位點③有選擇性遺傳標記如抗性基因④拷貝數高⑤生物安全性好
真核基因在原核細胞中表達載體必須具備條件⑴載體能夠獨立復制。載體本身是一個復制子，具有復制起點。⑵應具有靈活的克隆位點和方便的篩選標記，以利于外源基因的克隆鑒定和篩選。且克隆位點位于啟動子序列后，以便外源基因表達。⑶應具有很強的啟動子，能為大腸桿菌 RNA聚合酶所識別。⑷應具有阻遏子，使啟動子受到控制，只有當誘導時才能進行轉錄。⑸應具有很強的終止子，只轉錄克隆的基因，所產生的mRNA較為穩定。⑹所產生的mRNA必須具有翻譯的起始信號AUG和SD序列，以便轉錄后順利翻譯
基因工程生產藥物的優點1收獲量大，更有效服務社會。2.生產效率更高3.進一步改良藥理活性， 4.有利于獲得新藥：篩選新型化合物
目的基因的獲得1. 構建cDNA文庫，然后從中調用目的基因；2.
展開 華中科技大學趙彥兵/聶蘭蘭/武漢大學張玉峰CEJ：通過等離子體技術制備鄰苯二酚改性殼聚糖生物粘合劑
論文鏈接：
https://doi.org/10.1016/j.cej.2021.130843
相關進展
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華中科技大學楊祥良教授、趙彥兵教授團隊等《Nano Today》：在肝癌綜合介入治療方面取得新突破
華中科技大學楊祥良教授、趙彥兵教授課題組：可注射的溫敏聚吡咯原位水凝膠用于光熱化療精準協同治療
華中科技大學楊祥良教授與趙彥兵教授課題組在溫敏納米凝膠逆轉鉑耐藥性方面取得新進展
華中科技大學李子福教授和楊祥良教授課題組首次闡述納米藥物力學性能在抗腫瘤藥物靶向輸送“五得”原則中的重要作用
中科院深圳先進院喻學鋒研究員課題組與武漢大學張玉峰教授課題組合作成功構筑新型黑磷藥物控釋系統
高分子科技原創文章。
展開 
生物工程技術在現代制藥業的應用
基因工程技術在醫藥工業中的應用主要有以下內容：
1.1基因工程藥物品種的開發
利用基因工程細菌等表達人類一些重要基因片段，可產生具有生理活性的肽類和蛋白質類藥物。這一技術可以大量廉價生產以前不敢想象的醫藥產品。如應用傳統的技術方法提取生長激素抑制素(Somatostatin)每毫克需要用10萬只羊的下丘腦，所耗費的資金大約等于經由人造衛星從月球上搬回1Kg石頭。而用基因工程方法生產等量的激素只需10公升大腸桿菌培養液，其價格大約為每毫克0.3美元。
這就是基因工程的誘人之處，其有著難以估量的社會效益和經濟效益。
1982年，重組人胰島素經美國FDA
批準作為第一個基因工程藥物上市。目前EPO(紅細胞生成素)、G—GSF(粒細胞集落刺激因子)等均已成為年銷售額超過10億美元的“重磅炸彈”。
隨著人類基因組計劃研究的深入及完成，相信本世紀初將會出現基因工程藥物開發的又一熱潮。
1.2應用基因工程技術建立新藥的篩選模型
在新藥研究開發中日益廣泛使用的各種酶、受體篩選模型所需的靶酶和受體往往來自動物體內，因而數量有限，不利于采用機器人進行大量篩選。應用基因重組技術將一些靶酶的活性中心或受體的配體、亞基等在微生物中大量表達可以解決這一難題。如β-
腎上腺受體、5-HT受體和毒蕈堿M受體等均已在大腸桿菌或酵母菌中表達成功，并已證實這些受體的功能與來自哺乳動物組織的受體完全相同。
1.3應用基因工程技術改良菌種，產生新的微生物藥物1985年，英國首次報道應用基因重組技術獲得新雜合抗生素mederrhodin A和雙氫榴紫紅素。此后應用基因工程技術改造產生新的雜合抗生素，為微生物藥物提供了一個新的來源。
展開 新藥研發周期越來越短，北鯤云超算平臺如何提高藥企競爭力？
近兩年在藥物研發領域初露鋒芒的北鯤云超算平臺，就取得了業內不少的好評。借助北鯤云超算平臺不僅可以加速藥物篩選和分子分析，使新藥的研發周期大幅縮短，并且在基因工程、藥物設計等領域發揮著越來越大的作用。
比如，從上世紀90年代開始“人類基因組計劃”、“生物芯片”等內容，人類第一次完整全基因組的測序花了13年，在高性能計算的加持下，這個時間如今已經降低到1天以內。還有近年來PD-1信號通路的發現，使得人類在戰勝癌癥的道路上更近了一大步、誘導多能干細胞iPSC技術和基因編輯技術!CRISPR（使得I型糖尿病有望得到根治）以及去年嚴重的疫情，更多的樣本集、更快的數據提煉，可以幫助更快的研發生產出疫苗；等眾多科研成果都證明了高性能計算在生物工程中的重要性。
云計算的興起還改變了科學家獲取算力、享受超算服務的方式，比如北鯤云超算平臺。不僅能夠幫助科研人員在云上搭建高性能集群系統，滿足藥物研發人員對高性能計算資源的需求。
除此之外，北鯤云超算平臺接入了規模龐大且靈活云上算力資源，研究人員可以根據自身研究項目的大小按需購買算力資源，不用擔心經費問題以及被算力規模限制了研發速度的問題。
我們知道，藥物研發是一個非常復雜的過程，因此也非常耗時，藥物篩選只是流程前期一個環節。例如，在研制疫苗時期，需要首先尋找跟蛋白病毒酶結合的小分子，由于存在不同種類或研究機構的配體（小分子）庫，配體（小分子）庫數量巨大，每個配體庫的配體數量成千上萬，甚至更大，通過實驗方式一一測試驗證顯然不能在短時間內找到合適的匹配藥物。只有通過計算機數值模擬進行篩選，對不同配體的結合效果進行打分，篩選結合模式合理的一些配體作為候選藥物，然后再進行實驗驗證，這樣才能夠有效加速藥物的研究進程。
展開 哈佛大學醫學院Y. Shrike Zhang教授課題組 Matter/Adv. Mater.：冷凍生物打印技術的研發、優化和應用
該方法進一步擴展到多材料打印，在界面組織工程中尋找潛在應用，例如創建肌肉-肌腱單元和肌肉-微血管單元。這種的獨特的垂直冷凍生物打印技術在各向異性組織的組織工程、藥物發現和個性化治療等中將有廣泛應用（圖2）。
圖2 垂直冷凍生物打印示意圖及其在肌肉組織工程中的應用。
該文章以“Support Bath-Free Vertical Extrusion Cryo(bio)printing for Anisotropic Tissue Manufacturing”為題發表在《Adv. Mater.》上。哈佛大學醫學院、四川大學華西臨床醫學院聯合培養博士羅澤宇，哈佛大學醫學院、南京林業大學聯合培養博士唐國勝 （現廣州醫科大學教授）為論文的共同第一作者，通訊作者為哈佛大學醫學院Y. Shrike Zhang教授。
論文鏈接：
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/adma.202108931
展開 復旦大學丁建東教授系統評述：基于適度兩親性嵌段共聚物的可注射性熱致水凝膠
如果轉變溫度介于室溫和體溫之間，該類體系可以在室溫或更低溫度下與藥物或細胞混合，并可以注射；一旦注射進入體內，該體系在體溫刺激下原位物理凝膠化，自動包裹藥物或細胞，該過程不依賴于化學反應。由常見的親水性的聚乙二醇(PEG)和疏水性的可降解脂肪族聚酯(PLGA等)這些適宜用于人體的聚合物所組成的嵌段共聚物在某些嵌段長度等條件下具備上述特性，為研發新型生物醫用材料開辟了新的重要的途徑。
圖1 升溫具有溶膠-凝膠相轉變的可注射熱致凝膠化體系及其潛在醫學應用
然而，兩親性嵌段共聚物在水中形成膠束很容易理解，形成物理凝膠則不同尋常，其中蘊含著豐富的物質科學原理。
復旦大學丁建東課題組長期致力于熱致水凝膠體系的系統研究，揭示該體系凝膠化的內在規律。他們發現了聚酯-聚醚嵌段共聚物的端基效應、分子量分布效應等重要現象，總結了熱致水凝膠分子設計的普適規律；揭示了物理凝膠化的機理，提出了凝膠化的物理模型，并顯著擴展了可熱致凝膠化聚合物的成分范圍。他們通過自身的探索以及與醫生等相關人員的合作，進行了大量的動物實驗，探討了熱致水凝膠作為生物醫用材料的可行性，展示了該材料在術后防粘連、藥物緩釋、組織工程等領域的巨大潛力。另外，該課題組針對熱致水凝膠未來產品存在的問題進行了深入思考并提出相應解決方案，包括材料形貌、降解、滅菌、質量標準等與應用息息相關的問題，期望為熱致水凝膠材料的真正臨床應用鋪平道路。
丁建東課題組在《高分子學報》2018年第8期“祝賀江明院士80華誕”專輯發表的專論中系統介紹了聚乙二醇/聚酯熱致水凝膠材料目前的研究進展。他們首先簡要介紹了熱致水凝膠體系的特征及種類，詳細闡釋了聚乙二醇/聚酯熱致水凝膠體系的凝膠化機理，介紹了該材料體系的分子設計原則，并總結了它們在臨床的大量潛在應用，以及針對未來臨床應用該課題組所進行的大量有益探索。
展開 負載替考拉寧的可注射性PLGA-PEG-PLGA熱致水凝膠敷料用于皮膚傷口的加速愈合
可注射的熱致水凝膠在低溫(常溫)下以溶液狀態存在，可以被注射，并且具有易與藥物、細胞混合的特性；該類水凝膠注射到人體后，在體溫下可自發物理凝膠化，將藥物、細胞等物質原位包裹，其已被廣泛應用于藥物緩釋和組織工程等領域。其中，熱致凝膠化的PLGA-PEG-PLGA三嵌段共聚物是研究最為廣泛的熱致水凝膠，但其也面臨實際能夠成膠的聚合物分子量窗口較窄的不足。在前期的工作中，復旦大學高分子科學系俞麟教授和丁建東教授發展了物理混合法拓展了PLGA-PEG-PLGA三嵌段共聚物成膠的分子量窗口。如圖1所示，兩種具有不同PEG/PLGA摩爾比的PLGA-PEG-PLGA三嵌段共聚物被合成，Copolymer A不溶于水，而Copolymer B易溶于水，兩種聚合物均不能單獨形成熱致水凝膠；有趣的是，將這兩種共聚物通過一定比例混合后即可得到可注射的熱致水凝膠。
圖1. 物理混合法制備熱致水凝膠的示意圖:將不溶于水的Copolymer A和易溶于水的Copolymer B混合后，由于合適的親疏水平衡，聚合物混合物在水中能夠自組裝形成膠束，隨著升溫膠束能夠聚集形成具有“逾滲膠束網絡”的物理水凝膠
作者通過上述混合物熱致水凝膠包載TPN嘗試用于促進大鼠全切層傷口的愈合。體外釋放實驗表明TPN能夠從水凝膠敷料中緩慢釋放出來，釋放周期超過3周；體外抑菌實驗顯示釋放的TPN能夠持續抑制S. aureus的生長。在大鼠全切層傷口模型中，載有TPN藥物的聚合物混合物溶液可以在室溫下方便地注射到傷口床中，由于大鼠的體溫作用其能夠在傷口床原位形成凝膠，方便地實現創面的覆蓋(圖2)。宏觀的觀測和病理學檢測顯示載藥凝膠輔料的使用減少了創面的炎癥反應，促進了膠原的沉積，加速了血管化，從而加快了傷口的愈合。
展開 華東理工大學劉潤輝教授課題組在多肽合成領域取得突破性成果
多肽模擬研究可以針對性地解決多肽體內穩定性差的突出缺點對應用的局限，因此在藥物發現、組織工程、蛋白模擬、生物材料和化學等諸多領域具有重要應用前景。多肽模擬物的降解可調使得多肽可以適配不同應用場景，而多肽序列對其功能的發揮具有重要作用，因此，對酶降解可調和聚合物序列可控是多肽合成和應用研究領域中的關鍵性需求和挑戰。
在多肽模擬研究領域中，劉潤輝教授課題組前期通過建立對水分不敏感的β-NTA（β-氨基酸N-硫代羧基酸酐）聚合新方法解決了β-內酰胺聚合制備β-多肽的經典合成方法對水分敏感、聚合條件苛刻、功能基團適用性受限的核心挑戰（Angew. Chem. Int. Ed. 2020, 59, 6412-6419）。本研究著眼于解決多肽模擬物對酶降解可調和聚合物序列可控的關鍵性需求和挑戰，通過α-NCA和β-NTA共聚實現了α/β-多肽的可控合成和對蛋白酶降解的調節；通過共聚反應中溶劑對單體聚合速率的調節作用，實現了α/β-多肽的序列可控（圖1）。該研究成果以“Synthesis of Poly-α/β-peptides with Tunable Sequence Via the Copolymerization on N-carboxyanhydride and N-thiocarboxyanhydride”為題發表在iScience上（iScience. 2021, DOI:10.1016/j.isci.2021.103124）。
展開 浙江大學伍廣朋研究員課題組Macromolecules封面論文：雙功能有機硼催化劑用于β-丁內酯的可控聚合
其中，可生物來源的聚（β-羥基丁酸）在組織工程、藥物釋放、微電子和包裝等行業得到了廣泛的應用。β-丁內酯的開環聚合為聚（β-羥基丁酸）的制備提供了一個簡潔、高效而直接的策略。盡管大量的研究表明金屬催化劑可以實現β-丁內酯的高效轉化，但是產物中的金屬殘留物往往限制了聚（β-羥基丁酸）材料在生物醫用以及微電子等行業的應用。
無金屬催化為這一難題提供了解決思路。然而，目前使用的有機催化劑局限于部分有機堿，尤其是可控的聚合控制卻鮮有報道。這主要是因為：β-丁內酯傾向于和催化劑之間形成穩定的加合物，或者開環后的中間體容易發生回咬失活，從而導致聚合不可控甚至難以發生。因此實現β-丁內酯的可控開環聚合具有重要的研究意義和價值。
近年，浙江大學伍廣朋研究員課題組開發出了一類雙功能有機硼催化劑，在二氧化碳和環氧共聚合制備脂肪族聚碳酸酯（JACS 2021，2020）、二氧化碳和環氧烷烴偶聯生成環狀碳酸酯;（ACIE，2020）、環氧烷烴和酸酐共聚制備脂肪族聚酯(ACIE, 2021)、環氧開環制備脂肪族聚醚(ACIE, 2020)等領域都表現出了優異的反應活性。得益于高活性無金屬催化劑的開發，制備的聚酯、聚碳酸酯和聚醚等高分子材料在微電子化學品和材料領域展現了良好的應用潛力。近日，他們進一步拓展了該類無金屬催化劑在環內酯開環制備聚羥基脂肪酸上的應用，發現此類催化劑可高效實現β-丁內酯的可控開環聚合，表現出良好的反應活性和99%以上聚合物選擇性。
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復旦大學梅永豐教授課題組報道新型仿生水黽的自驅動智能材料
該工作為柔性軟機器人的設計和研究提供了新的材料選擇，豐富了水凝膠材料的種類，從而可為其在藥物緩釋、組織工程等重要領域的應用提供新的路徑。
文章信息：Hong Zhu, Borui Xu, Yang Wang, Xiaoxia Pan, Zehua Qu, Yongfeng Mei*. Self-powered locomotion of a hydrogel water strider, Science Robotics, 2021, 6: eabe7925.
文章鏈接：
https://doi.org/10.1126/scirobotics.abe7925
來源：復旦大學材料系
相關進展
復旦大學梅永豐教授《Nat. Commun.》：納米薄膜的智能卷曲折紙
南方科技大學任富增課題組《AFM》：源于仿生的高度各向異性、超強且具有骨傳導性的礦化木材水凝膠復合材料，用于骨修復
清華大學梁瓊麟教授團隊Nat. Protoc.：組合式微流控平臺：輕松制備可流通水凝膠微管仿生結構
南科大軟體力學實驗室：彈性體—水凝膠復合結構的仿生設計策略
西湖大學周南嘉課題組在3D打印可隱形仿生水凝膠軟體驅動器上取得新進展
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展開 仿生纖維水凝膠的設計與應用
【小結及展望】
纖維水凝膠是組織工程、再生醫學和3D細胞培養的優秀支架，可以制成類似體內ECM的機械性質和改善的質量傳遞。纖維狀水凝膠可以用生長因子和細胞粘附配體功能化。纖維狀水凝膠的各種構建塊：包括肽、嵌段共聚物和絲狀納米顆粒，實現多種應用。
（1）纖維狀水凝膠的機械性質對細胞生長和表型的影響的大多數研究都集中在彈性模量上，忽略了粘彈性行為。纖維水凝膠尚未探索應力松弛及其對細胞行為的影響。迄今為止，納米結構對應力松弛的影響以及纖維水凝膠的粘彈性，如何影響細胞表型和生長仍然是難以捉摸的。另外，纖維凝膠的非線性應變硬化行為也需要進一步研究。
（2）纖維狀水凝膠膠化機制與性質之間的關系。纖維狀ECM蛋白的粘彈性和力學性質的模擬，分析了結構和材料性質的相關性。類似地，建模方法也可以模擬人造纖維水凝膠的結構-性質關系。
（3）水凝膠具有擴散各向異性。人造纖維水凝膠的各向異性還未被研究，高度纖維排列的膠原縱向擴散系數高于橫向上的系數。這種作用可能影響藥物和納米藥物向體內特定位置的遞送。
（4）動態纖維水凝膠可以更好地模擬體內ECM的性質。動態纖維水凝膠可以解決凝膠內的光散射問題，使光學顯微鏡的細胞表征變得困難。動態纖維水凝膠可以模擬ECMs行為，膠原纖維在不同發育階段和不同疾病中被降解、合成和重塑。
（5）3D生物打印模擬水凝膠和復雜架構的人造組織，探索制備方法對纖維的排列和各向異性水凝膠的復雜的結構，用于組織工程和藥物開發的體外模型，用于藥物篩選和基礎生物學研究。
展開 首發！2021德國 IF 最佳產品設計金獎作品新鮮出爐！（完整版）
12、BIO X6 3D生物打印機
設計：CELLINK GROUP設計團隊
BIO X6 3D生物打印機能夠用于藥物開發，組織工程和再生醫學的細胞培養工作流程中的多材料構造。直觀的設計和附加的打印頭使BIO X6成為市場上最人性化的生物打印機。
獲獎評語：無干擾且完全滿足用戶需求：此生物打印機可加快藥物開發和組織工程的速度。結果是減少了動物測試，改進了新藥測試并降低了成本，一項非凡的創新！
13、Google Meet硬件系列
設計：Aruliden
Google Meet硬件系列考慮到了人與人之間的互動，設計了一套6件式的會議硬件，專門用于與Google Meet軟件配合使用，使會議變得無縫鏈接和沉浸式體驗。
獲獎評語：Google Meet硬件系列展示了純粹的材料、顏色可以帶來怎樣的出色設計！
14、iPhone 12 Pro、iPhone 12 Pro Max
設計：Apple
iPhone 12 Pro和iPhone 12 Pro Max帶來了強大的5G體驗，并采用了具有磨砂玻璃后蓋的全新不銹鋼設計，以及采用陶瓷屏蔽前蓋保護的邊緣到邊緣的Super Retina XDR顯示器。
先進的專業相機系統提供6.1英寸和6.7英寸兩種尺寸，包括擴展的超寬相機，遠攝相機和寬相機，以及用于增強現實體驗和改進相機功能的新型LiDAR掃描儀。
獲獎評語：這是2021年高級智能手機的標準原型。干得好，蘋果！
展開 哈佛大學鎖志剛院士課題組：光引發劑接枝的聚合物鏈用于水凝膠與其它材料的集成
典型的例子包括組織工程和藥物釋放、生物相容性涂層、化學傳感以及離電器件等。水凝膠的一鍋法制備過程從小分子溶液開始，三個過程同時發生：單體連接成為分子鏈(聚合過程)、分子鏈交聯形成網絡(交聯過程)、水凝膠網絡與基底材料形成粘接(粘接過程)。這一并發性無法適用于水凝膠與滲透性材料(比如組織或者另外一個水凝膠材料)的集成。這些滲透性材料會吸收水凝膠預制液中的單體、引發劑和交聯劑，進而造成副作用甚至產生毒性。因此，一個較為通用的集成方法十分重要。
圖1：光引發劑接枝的聚合物鏈將水凝膠漆的制作者和使用者兩種勞動力分開。
近日，哈佛大學鎖志剛院士課題組對于水凝膠的集成研究有了新的進展。研究人員利用水凝膠漆的概念，完美解決了集成過程中小分子的擴散和殘留問題。水凝膠漆將水凝膠和其它材料的集成過程分為兩個步驟：第一個步驟由水凝膠漆的制作者完成 (maker)，第二個步驟由水凝膠漆的使用者完成(user)。這種勞動力的分配使得制作者可以使用復雜的方法大批量生產水凝膠漆，使得使用者方便地應用水凝膠漆。現在已經使用的水凝膠漆都是以硅烷偶聯劑接枝的聚合物鏈的形式存在的(silane-grafted polymer chains , SGPCs)。在固化過程中，硅烷偶聯劑縮合形成交聯點和粘接點。但是，這一縮合過程缺乏一個可控的觸發機制。因此難以滿足水凝膠漆的兩個基本要求：長保質期和按需固化。
圖2：PGPCs的合成與PGPCs水凝膠的力學性能。
為此，研究人員將單體分子與光引發劑共聚，形成光引發劑接枝的聚合物鏈 (photoinitiator-grafted polymer chains, PGPCs)(圖 1A)。
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