摘要: 海洋中存在的众多化合物正在推动生物医学领域的发展。琼脂糖是一种源自海洋红藻的多糖，因其可逆的温度敏感凝胶行为、优异的机械性能和高生物活性，在生物医学应用中发挥着至关重要的作用。天然琼脂糖水凝胶具有单一结构成分，使其无法适应复杂的生物环境。因此，琼脂糖可以通过物理、生物和化学改造发展成多种形态，使其在不同环境中表现最佳。琼脂糖生物材料正越来越多地用于分离、纯化、药物递送和组织工程，但大多数仍远离临床批准。本综述对琼脂糖的制备、修饰及生物医学应用进行了分类并讨论，重点关注其在分离与纯化、伤口敷料、药物递送、组织工程和3D打印中的应用。此外，它还试图应对基于琼脂糖的生物材料未来在生物医学领域开发的机遇与挑战。这有助于合理选择最适合生物医学行业特定应用的官能化琼脂糖水凝胶。

关键词：琼脂糖、修饰性、水凝胶、生物医学应用

1. 引言

      海藻是庞大的海洋植物群，也是海洋生物资源的重要组成部分。约90%的水生植物是海藻[1]。根据光合作用色素的成分，海藻通常分为三类：叶绿藻科（Chlorophyceae）、褐藻科（Phaeophyceae）和红藻科（Rhodophyceae）[2]。尤其是红藻，种类最为丰富，约有6500个物种[3]。红藻的成分，如多糖、蛋白质和矿物，已被广泛研究。多糖因其广泛的食物和药用功能，已成为研究人员最令人兴奋的海藻成分。

琼脂糖是一种天然多糖，来源于红藻，是一种线性多糖，由d-半乳糖和3,6-无水-l-半乳糖组成，其结构单元中含有许多羟基[4]，这些基团容易与结构中的氢原子或水的氢原子形成氢键。其分子量一般在80 kDa~到140 kDa之间。琼脂糖可以形成具有稳定性和滞后作用的受控水凝胶[5]。如图1所示，在90–100°C时，琼脂糖结构单元间的氢键断裂，琼脂糖以随机线圈形式散布到水中，形成透明溶液。当温度降至30–40°C时，琼脂糖的分子链通过氢键交织，形成紧密排列的双螺旋结构，形成凝胶。根据最新研究，全球琼脂糖市场未来五年前景看好。全球琼脂糖市场预计到2022年将达到8335万美元，预计到2028年将达到9935万美元，预测年份复合年增长率为2.97%[6]。琼脂糖的终端用户主要集中在生物医学领域，包括学术机构、医院、诊断中心、制药和生物技术。该市场的区域特征包括亚太、欧洲、北美、中东和非洲以及拉丁美洲[6]。

琼脂糖的结构及凝胶机制[7]。

      作为功能性生物分子，生物活性多糖在生物医学行业中不断被开发，并吸引了科学家们的广泛关注[8]。由于多糖的可降解性、无毒性和生物相容性，在食品、家用产品和药品中被优先采用，而优于合成物质[9,10,11]。多糖现已被广泛应用于疾病诊断、抑制与治疗、药物递送、抗菌和抗病毒应用以及组织工程[9,12,13,14]。琼脂糖是中性凝胶多糖的天然来源，在生物医学行业中扮演着至关重要的角色。由于其低粘度，作为抗菌材料，它可以抑制医疗器械表面细菌的生长[15,16]。琼脂糖优异的生物相容性使其成为水凝胶，适用于药物的受控释放[17,18]和组织工程材料[19,20]。琼脂糖凝胶电性中性且刚性;因此，它被广泛用作凝胶电泳和分离培养基的填充材料。琼脂糖可通过与其他材料复合或嫁接进行修饰，以提供特异性粘附和pH响应[17]，使琼脂糖在组织再生及其他应用中更具前景。

      本研究重点放在琼脂糖及其衍生物在生物医学领域的应用。首先，介绍琼脂糖提取的概述。接下来，总结琼脂糖衍生物的制备过程，并简要讨论修饰方法的原理、优缺点。随后对琼脂糖在生物医学领域的应用进行了全面综述。本综述涵盖四类：琼脂糖凝胶电泳、琼脂糖分离培养基、琼脂糖涂层、作为药物递送载体的琼脂糖，以及基于琼脂糖的组织工程材料。

2. 琼脂糖的提取与修饰

2.1. 琼脂糖提取

1937年，荒木首次通过乙酰化从琼脂中分离琼脂，随后科学家们开始研究琼脂糖的提取[21]。琼脂通常从红藻中提取，通过去除琼脂蛋白可以获得电中性琼脂[22]。目前，已有许多关于琼脂糖提取技术的研究报道[22,23]。根据提取原理，它可以分为斗红素沉淀、琼脂沉淀、离子交换、离子液体和复合提取。表1展示了琼脂糖的提取方法。

2.1.1. 加油菌素沉淀法

琼脂通常由琼脂糖和脂质蛋白组成，琼脂和脂蛋白在不同溶剂中的溶解速率不同。因此，研究人员使用特定溶剂溶解琼脂并分离不溶部分;溶剂中溶解的部分是琼脂糖。Jeon等人[23]通过DMSO沉淀含脂蛋白的硫酸盐，从琼脂中分离出含硫酸盐含量低且浓度高的琼脂糖。Santos等人将四级铵化合物与琼脂溶液混合形成沉淀物，并干燥滤液以获得琼脂糖。为解决第四级法提取琼脂糖时的难分分离问题，Blethen等人[24]将λ-卡拉胶与琼脂糖结合，形成易于分离的沉淀物，并可通过季铵盐快速分离。

2.1.2. 琼脂沉淀法

琼脂糖沉淀法还基于琼脂糖和斗株在溶剂中的溶解度差异。区别在于沉淀部分是琼脂糖。最常用的方法为聚乙二醇法[22]。Duckworth等[25]将聚乙二醇加入琼脂溶液，溶解于50–60°C的0.05 M NaCl中，连续搅拌产生沉淀，离心后收集沉淀，用聚乙二醇和NaCl溶液清洗沉淀，干燥后获得琼脂糖。Chew 等人[22] 将聚乙二醇溶解在70–75°C的乙醇中，混合同等量琼脂溶液与聚乙二醇溶液，搅拌后产生白色絮状沉淀物，并离心。沉淀物用蒸馏水和丙酮洗涤，冻干后研磨成琼脂。

2.1.3. 离子交换方法

离子交换是溶液中离子与离子交换树脂中离子之间的离子交换过程，用于去除溶液中的特定离子[26]。阴离子交换树脂法常用于提取琼脂糖[27]。阴离子交换树脂吸附溶液中的负电阴离子，可用于分离琼脂。Duckworth等人[25]在DEAE-Sephadex A-50中加入用聚乙二醇处理的琼脂溶液，用蒸馏水洗脱后，将洗脱液加入乙醇中沉淀得到琼脂糖。Zhang 等人[28]在DEAE纤维素悬浮液中加入琼脂溶液，并在70°C下搅拌两小时;琼脂糖通过冷冻、脱水和干燥制成。

2.1.4. 离子液体法

离子液体（ILs）因其高度溶解极性和非极性化合物的能力，被广泛用于从生物质中提取各种化学物质或生物聚合物[29]。此外，ILs可以被有效回收和回收。近年来，ILs也被用作琼脂糖提取的新型溶剂。Sharma等人[30]不断搅拌，将ILs溶液加入碱处理的海藻提取物中，所得沉淀与梯度IPA和真空干燥琼脂糖产品洗涤。Trivedi等人[29]将海藻粉末与预热的ILs溶液混合，经过2–3秒微波处理后加热过滤，滤液中沉淀为甲醇。沉淀物被收集并用甲醇溶液去除;纯化琼脂糖通过用甲醇溶液去除残留的IL后真空干燥获得。

表1。

2.1.5. 复杂方法琼脂糖提取

为了提高琼脂糖的纯度，研究人员尝试结合不同技术提取琼脂糖。Zhang 等人[28]使用聚乙二醇与阴离子交换树脂的混合物去除了高胶素。琼脂糖在提取后用聚乙二醇溶解，随后通过阴离子交换树脂进一步纯化。Wang 等人[31]在用EDTA处理琼脂后，先用热相容的阴离子交换树脂初步分离琼脂糖和杂质，然后溶解琼脂，再加入异丙醇进行酒精沉淀，收集沉淀物后通过冻干和纯化获得生物技术级琼脂糖。该方法有效降低了琼脂的硫酸盐含量。

如今，随着环保意识的提升，研究人员不断改进琼脂糖的提取方法，以开发一种简单、快速、高效、经济且环保的方法。最新研究发现酶促脱硫能高效获得琼脂糖[32]。获得琼脂糖凝胶的DNA电泳谱与市售琼脂糖无异[33,34]。此外，研究人员发现₂O₂能有效去除琼脂中的C-4硫酸盐d-半乳糖基团，且₂O₂分解产物是无污染的;因此，H₂O₂ 方法被认为是一种新的琼脂糖生产方法[35,36]。

2.2. 琼脂糖的修饰

琼脂糖凝胶表现出脆性和收缩性，这使其在组织工程和伤口敷料等应用中存在问题。为改善这些缺陷，采用生物、物理和化学修饰方法，通过改变琼脂糖的分子结构以获得良好性能[37]。表2展示了琼脂糖的修饰方法。

生物修饰通常通过酶修饰，如通过硫酸酶降低硫酸盐含量[38]，是一种绿色、温和且高效的多糖修饰方法。物理改造是指通过微粒化、超声波、高压均质化、湿热处理和脉冲电场等物理技术改变多糖的原始形态和结构[39]。它通过影响物理相互作用，包括氢键、静电相互作用、疏水相互作用或分子间相互作用，改变多糖的原始性质[40]，Krömmelbein等人[41]通过电子照射处理琼脂糖水凝胶。他们发现琼脂糖水凝胶的糖苷键被削弱，并在电子照射处理过程中形成了含羰基物质。化学修饰旨在向多糖添加新基团，赋予其独特的性质[39]。硫酸化、羧甲基化、乙酰化和磷酸化是多糖化学修饰的主要方法。多糖的化学修饰导致结构多样性，并有助于创造新的凝胶性质。一般来说，生物改造成本高昂且需要严格的反应条件，而物理改造则不会增加多糖的生物活性，通常会导致质量下降[40]。相比之下，化学修饰因其简单、高效且可重复性而被研究人员偏好。

目前，低熔度琼脂糖通常通过化学修饰制备。Zhang等人[42]证明，用氧烷基化设计的低熔度琼脂糖具有良好的热可逆性、机械性能和分离效率，同时也是一种有前景且经济的低熔点琼脂糖;它是市场上最常见的低熔融琼脂糖。Xiao等人[43]成功用辛烯琥珀酸酐（OSA）修饰琼脂糖，显示出新的凝胶特性，如低凝胶强度、低熔点和高透明度，相较于天然琼脂糖。此外，Xiao等人[44]利用脂肪酸衍生物制备琼脂糖-脂肪酸酯。他们发现首选的取代位点是D-半乳糖C-2位的羟基。他们还发现，长链脂肪酸和高度取代琼脂糖的乳化能力高于短链脂肪酸和低取代衍生物。Oza等人[45]通过水基方法将核碱鸟嘌呤嫁接到琼脂糖上，并以过硫酸钾作为引发剂，制备了一种新的荧光聚合物材料。这些研究表明，引入侧链的性质可以预测修饰产物的新性质，这也为开发其他琼脂糖衍生物提供了思路。

表2。

3. 琼脂糖及其衍生物的生物医学应用

当溶胶——通过氢键形成多孔网络的琼脂糖链[43]——被凝胶化时，它允许高分子量物质的扩散。与此同时，许多生物过程，如生物大分子的分离与纯化、蛋白质的复合体形成以及细胞的生长和繁殖，都依赖于缓冲液。因此，培养基的亲水性对于生物过程的应用至关重要。琼脂糖是一种多羟基水胶体，凝胶中生物分子的扩散与水溶液中的扩散无明显差异[56]。合成和无机生物材料，如聚丙烯酰胺凝胶和多孔玻璃，由于与某些生物大分子的非特异性吸附，在分离和纯化上受限。理论上，生物活性物质与琼脂糖的相互作用较弱，但在琼脂糖凝胶中仍可保持生物活性[57]。可以对琼脂糖进行功能化，获得特定性质，进而推导出不同类型的色谱分离介质，拓展了分离应用的范围[58]。图2展示了琼脂糖及其衍生物在生物医学领域的应用。

图2。

琼脂糖的应用。

3.1. 琼脂糖凝胶电泳

电泳在临床化学、毒理学、药理学和免疫学等多个领域中应用日益广泛。带电分子通过琼脂糖基质通过电场。它们根据大小、构象、形状和携带的电荷大小在琼脂糖凝胶基质中进行分离[59]。因此，琼脂糖凝胶电泳被广泛用于分离和鉴定核酸、多糖、蛋白质和病毒等生物大分子[60,61]。

琼脂糖凝胶电泳的浓度通常在0.5%到2%之间（w/w）[62,63]。琼脂糖凝胶电泳具有作简便、设备简单、样品体积小和高分辨率的优点。它兼具“分子筛”和“电泳”双重作用，广泛应用于核酸研究[59]。特别是，具有低熔点的化学修性琼脂糖具有更高的筛筛能力，非常适合DNA和RNA的电泳，能够从凝胶中回收天然的DNA形式[64]。Green等人[65]利用低熔融琼脂糖分离不同大小的DNA片段，然后通过苯酚氯仿从熔融琼脂糖中提取有机提取DNA回收DNA。

Zhang等人通过对琼脂糖进行氧烷基化，使用乙二氧化物、1,2-环氧丙烷和1,2-环氧丁烷，制备了低熔点琼脂糖[42]。他们发现氧烷基化琼脂糖在DNA凝胶电泳中具有更优异的分离性能。最近，也通过琼脂糖凝胶电泳分析了不同条件下的RNA循环迁移、各种单克隆和多克隆抗体，以及血清白蛋白的分子量。Li等人[62]通过琼脂糖凝胶电泳，研究了针对短肽磷酸酪氨酸的单克隆抗体，用于反应性激酶磷酸化。他们通过调整电泳过程的关键参数来优化电泳条件。Tomioka 等人[66] 利用 UltraPure 和 MetaPhor 琼脂糖对商业牛血清蛋白进行了琼脂糖凝胶电泳。他们发现，MetaPhor琼脂糖获得的琼脂糖凝胶电泳具有更显著的分子筛分效应，具有高分辨率的尺寸差异，并能显示超过4%的寡聚带。此外，琼脂糖凝胶电泳也被用于分离蛋白质及其复合物。Sakuma及其同事[67]通过利用琼脂糖凝胶电泳分析物理修饰、聚集或翻译后修饰的蛋白质，有效扩展了琼脂糖凝胶电泳在生物医学应用中的适用范围。琼脂糖也可以与聚丙烯酰胺和右旋糖苷混合，以支持凝胶电泳。

3.2. 琼脂糖分离培养基

琼脂糖凝胶是一种亲水介质，与生物大分子高度兼容。其多孔特性使其非常适合分离蛋白质和核酸[68]。此外，琼脂糖可根据需要加入其他官能基团，针对不同应用进行定制[69]。琼脂糖因其多种形式存在，如亲和液、离子交换和疏水色谱等多种色谱分离介质，因此成为受欢迎的色谱分离介质[70]。这些不同形式基于不同的分离原理，使琼脂糖成为最广泛使用的多糖基分离介质之一。

3.2.1. 亲和层析法

亲和色谱是一种利用生物大分子的特异识别或可逆结合来分离和纯化生物大分子的技术[71]。琼脂糖因其低成本、大孔径、对生物试剂的非特异性结合极少以及在广泛pH值范围内的稳定性，是亲和层析的首选基质[72,73]。亲和色谱可根据生物大分子与配体之间的相互作用系统分为四大类。这些类型包括亲和力色谱、仿生亲和力色谱、免疫亲和力色谱和金属离子亲和力色谱。

生物亲和层析是一种亲和层析法，利用高度选择性的生物特异性来选择相互作用物质[74]。酶-底物、酶抑制剂和激素-受体组合是常用的。Yi等人[75]利用ST/SC（SpyTag/SpyCatcher）化学技术，利用酶与酶抑制剂的生物特异性选择，并将绿色荧光蛋白作为琼脂糖微球上的模型蛋白固定。随后，ST-GFP（绿色荧光蛋白）被ST-PqsA（铜绿假单胞菌群体感知通路中的关键酶）取代，PqsA抑制剂通过PqsA与PqsA抑制剂之间的生物特异性选择分离。仿生亲和层析利用分子相互作用合成配体，这些配体模仿生物分子上特定结构和位点，作为蛋白质吸附的固定相。Bai 等人[76]通过将四种三嗪反应染料固定在琼脂糖上，从牛细胞提取物中分离并纯化了甲酸脱氢酶（FDH），发现Procion Blue HERB是FDH的合适染料配体，使琼脂糖亲和色谱变得简单、廉价且高效。免疫亲和层析是一种分离系统，其中一个抗原和抗体作为配体，使另一侧亲和力吸附。Hou 等人[54]通过将阿维菌素多克隆抗体与CNBr激活的琼脂糖结合，制备免疫亲和色谱柱，从样本中分离阿维菌素、伊维菌素、多拉菌素和伊维菌素，随后通过高效液相色谱串联质谱分析从柱子中脱出的残基。金属离子亲和层析利用金属离子配合物与蛋白质结合进行分离和纯化。该聚合物由超多孔琼脂糖颗粒支撑，具有高渗透压、高干扰机制耐受性及低背压。Zheng 等人[77]构建了复杂固定金属离子亲和力琼脂糖颗粒，利用超多孔琼脂糖颗粒作为支撑，柔性共聚物刷作为主链，以及Ni²⁺螯合亚诺二乙酸作为配体，选择性分离和纯化组氨酸标记蛋白。

3.2.2. 尺寸排除色谱

尺寸排斥色谱法（SEC）是一种色谱技术，用于根据凝胶孔径与聚合物分子尺寸之间的对应关系分离聚合物样品，具有作简便和高样品回收率的优点[78]。由于凝胶过滤介质的三维网络结构，高分子量的生物大分子在通过凝胶颗粒孔隙时会被外部阻挡，并以快速速度直接向下洗脱。相比之下，低分子量的生物大分子可以在通过柱子时进入凝胶颗粒内部，并以较慢的洗脱速率被保留。凝胶的分子筛分效应使样品的分子尺寸能够被筛选出不同分子量生物量生物分子的不同洗脱时间[79]。右旋糖酐、聚丙烯酰胺和琼脂糖凝胶是最常用的凝胶过滤介质。特别是琼脂糖凝胶具有更高的机械强度和筛网稳定性，允许更高的流量、更广泛的pH条件范围和分子量。尺寸排除色谱通常根据移动相的不同分为胶体渗透色谱和胶体过滤色谱。

赵等人[80]通过乳化膜方法制备了均相琼脂糖微球，随后多步交联和右旋糖嫁接，获得高分辨率色谱介质，精细控制分子范围且耐压性良好。位点特异性糖基化及其相关的异质性影响糖蛋白的功能活性，研究表明异常糖基化可能与许多疾病密切相关。然而，完整糖肽的分析仍是一个重大挑战。为此，赵等人[81]开发了一种利用丙烯酰胺-琼脂糖复合凝胶优异性能和体积排除色谱的亲水性质，富集完整三胺类N-糖肽的方法。

3.2.3. 离子交换色谱

离子交换色谱（IEC）是一种基于样品与固定相（离子交换色谱介质[82,83]）之间静电相互作用差异的分离方法。其优点包括应用范围广泛、分辨率高、对样品生物活性无影响且分辨率高，并广泛用于生物大分子的分离和纯化，如蛋白质[85]。琼脂糖羟基的衍生性允许不同电荷类型和密度的配体引入凝胶[82]。根据离子交换配体与琼脂糖表面耦合的性质，IEC可分为阴离子交换色谱介质和阳离子交换色谱。目前，最常用的功能配体是二乙基氨基[86]、羧甲基[87]和磺丙基[88]，它们分别为弱阴离子、强阴离子、弱阳离子和强阳离子形成琼脂糖离子交换介质。由于不同分子表面电荷类型、电荷数和电荷分布的不同，分离可以根据分离介质与分子之间的静电相互作用差异来实现。在特殊生化分离培养基中，琼脂糖系列离子交换培养基目前是主流产品。阴离子交换色谱利用琼脂糖基阴离子交换培养基分离并纯化带正电的蛋白质（溶酶和细胞色素C）。Silva-Santos等人[89]使用阴离子交换色谱，利用HiTrap Q-琼脂糖作为阴离子交换介质，纯化由aPCR生成的SSDNA。Barroca-Ferreira等人[90]利用Q-Sepharose阴离子交换色谱，通过一系列分离和纯化步骤高效且精细地纯化K. pastoris小型生物反应器裂解液中的前列腺素1.0;这涉及细胞通讯，刺激细胞增殖，并且是癌症微环境特有的。阳离子交换色谱结合了离子交换固定相与带负电的部分，再结合带正电的阳离子进行分离和纯化。Li 等人[91]通过开发阳离子交换介质并将甲基丙烯酸钠共接到商业琼脂糖胶片Sepharose FF上，研究了链长和离子强度对溶菌酶吸附和色谱γ相互作用的影响。Zhao等人[70]开发了一种方法，结合前交联和表面活性剂胶束膨胀，生成具有均匀网络结构的高交联大孔琼脂糖微球。 低背压和高流率，基于此，他们创造了一种羧甲基偶联阳离子交换色谱介质，能够在高流率下有效分离蛋白质。利用硫丙基-司油素阳离子交换色谱法，Li等人[92]从油菜籽中分离并纯化出具有抗增殖活性的17.5 kDa豆类蛋白抑制剂，具有抗增殖作用，针对白血病和淋巴瘤细胞。

3.2.4. 疏水相互作用色谱

疏水相互作用色谱（HIC）是一种利用疏水靶点在移动相中可逆结合到分离介质上，配合疏水结合伙伴实现分离和纯化的方法[93]。HIC广泛用于生物分子的分离和纯化，如蛋白质和肽[55,93,94]，具有温和的反应条件、高生物分子回收率、低环境影响以及节省成本[95,96]。它们通常由疏水基质和疏水配体组成。目前，HIC培养基常用于天然多糖如琼脂糖和纤维素，以及合成聚合物如聚苯乙烯和聚丙烯酸酯[97]。

通过化学修饰引入了琼脂糖疏水色谱培养基，包括琼脂糖和疏水配体。这里，疏水配体主要有两种类型：一种烃类，其碳链长度不同，CH₃（CH₂）_n，其中X可以是NH₂、COOH或OH，且疏水性随n值增加;第二种是具有一般疏水性的丁基或苯基团[98,99]。其分离仅基于疏水性相互作用的强度，因为缺少如NH₂、COOH或OH等基团，可以消除氢键或电荷相互作用的干扰。

超多孔琼脂糖珠常被用作疏水色谱介质的基础。Gustavsson等人[55]进行了一项研究，他们利用由苯基衍生的超多孔琼脂糖珠制成的疏水琼脂糖色谱介质，分离了核糖核酸酶A、溶菌酶和牛血清白蛋白。结果显示这些蛋白质可以被有效分离和纯化。色谱法的流速相较于均质琼脂糖珠作为支撑，导致流速更高。疏水色谱法被发现能提供更高的流量。脂肪酶在油化学、有机化学、生物燃料和制药等多个领域中发挥着关键作用，因为它们能够催化三酰甘油水解为甘油和游离脂肪酸。Mehta等人[100]通过使用octyl-Sepharose柱色谱法纯化了Aspergillus fumigatus中的脂肪酶。必需成纤维细胞生长因子（bFGF）和血管内皮生长因子A（VEGFA）激活血管生成，可能促进肿瘤发生。然而，使用含有bFGF/VEGFA的肉眼球可以有效阻断这些生长因子的激活，使其成为开发治疗性肿瘤疫苗的有前景的选择。Holková等人[101]利用苯基琼脂糖CL-4B疏水色谱法从罂粟菌中分离和纯化脂氧加氧酶。这些酶在调节生长、发育以及对生物和非生物胁迫的抵抗力中发挥着关键作用。

3.3. 琼脂糖涂层

由各种细菌生物膜引起的感染已成为临床环境中最常见的公共卫生问题之一[102]。医疗器械上的细菌增殖和囊膜形成对患者构成严重的健康挑战[15]。因此，为医疗器械提供防污和抗菌能力已成为一个热门研究话题[103]。其中最有效的方法之一是在设备表面形成一定厚度和附着力的涂层。琼脂糖及其衍生物因其优异的润滑性、生物相容性、电导性和机械性能，被广泛用作功能性水凝胶涂层的基底[102,104]。

琼脂糖没有表现出优异的抗菌或抗污特性。早期研究表明，琼脂糖凝胶在pH低于8.0时能抵抗A. aeruginosa的附着，但当pH值超过8.2时，细菌会聚集并沉积在琼脂糖表面。因此，大多数研究都是通过将琼脂糖与其他物质结合，开发新型涂层，通常结合具有抗菌特性的材料和琼脂糖[105]。Eric等人[106]开发了一种新颖涂层，将铜/生物活性玻璃掺入琼脂糖基质，表明释放的铜提升了抗粘附性能，并减缓了生物材料表面生物膜的形成。Li等人[107]将ZnO纳米颗粒和Ag纳米颗粒结合在丝胶-琼脂糖复合材料上，显示出对革兰氏阳性和革兰氏阴性菌的优异抗菌活性，并具有作为新型抗菌生物材料的巨大潜力。琼脂糖不仅仅是复合，而是通过交联和嫁接等化学反应将琼脂糖与不同大小的分子结合在一起。该方法提高了琼脂糖的抗菌和抗污染性，同时保持了优越的凝胶特性。Li及其同事[103]将丙烯酸基团引入琼脂糖分子，形成医用硅胶隔膜表面的共价交联琼脂糖涂层，从而减少细菌的形成超过两个数量级。他利用硫醇化学材料作为抗菌涂层，嫁接并交联琼脂糖和季铵壳聚糖。这种交联涂层有效抑制革兰氏阴性菌和革兰氏阳性菌的生物膜形成。有趣的是，经过30天反复用乙醇、高压灭菌或溶菌酶溶液擦拭后，该层仍保持抗菌活性[108]。

3.4. 药物输送

各种药物载体已被开发并广泛使用。尽管如此，药物递送一直处于创新道路上，原因是材料和成本等多维挑战[109]。碳水化合物聚合物是设计高效药物载体最重要的材料之一，具有满足广泛需求的重要潜力[110,111]。常见的碳水化合物聚合物如壳藻、淀粉和纤维素已被广泛用于药物递送系统，但仍存在显著缺点。例如，天然壳聚糖仅溶于稀酸性水溶液中，且失去其机械性能[112];淀粉机械性能较差且水溶性高[113];纤维素不溶于有机和水溶剂，抗菌性能较差[114]。这些都是不可避免的缺点。琼脂糖因其无毒、胶化、胶状结构及适当的粘弹性和热可逆性，是构建颗粒、微胶囊[115]和微球的常用底物，且非常适合受控药物释放。药物释放系统可以利用琼脂糖的生物相容性和血相容性构建[116]。例如，活性成分可以被封装在琼脂水凝胶纳米颗粒中，并通过乳化模板法制备[117]。琼脂糖还可以与多种多糖（如甲醛、环糊精和蒟蒟葡甘聚糖醛）、蛋白质和磁性纳米颗粒混合，形成具有增强物理化学特性的复合物，实现高效的药物递送[116]。一般来说，琼脂糖水凝胶药物递送系统以质量扩散释放（菲克扩散）为主导，琼脂糖水凝胶中扩散时间取决于网络结构和颗粒大小[118]。在靶向药物递送系统中，琼脂糖凝胶可以通过调整琼脂糖浓度[119]、与其他化合物混合及化学修饰，从而在孔径、结构和功能上进行适应，从而创造出有趣且多功能的药物递送系统[118]。

1994年，Haglund等人[120]将布洛芬和吲哚美辛装载到琼脂糖珠上，并研究了其释放机制。为减少高剂量环磷酰胺作为肿瘤治疗预用药的严重副作用，Sakai等人[121]将经过基因改造的细胞封装在亚筛大小的琼脂糖胶囊中表达细胞色素P450 2B1酶，然后通过微导管将细胞包膜微胶囊置入肿瘤附近的动脉中并局部激活。副作用在未减少剂量的情况下有效减轻。琼脂糖的亚囊直径比标准琼脂更小，减少了手术创伤，同时减少了滴注血管的阻塞。

除了用于药物递送的琼脂糖颗粒外，琼脂糖水凝胶因其生物相容性和溶质渗透性，在药物递送系统中被广泛使用[122]。然而，天然琼脂糖具有较高的机械强度和凝固温度[42]，由于在天然琼脂糖胶化过程中药物失活，难以装载热敏感药物。如上所述，Kim等人[42]通过将β-环糊精引入乙烯二胺修饰琼脂糖，制备低温凝胶琼脂糖，发现该凝胶因其机械强度和凝固温度低，可用于持续释放热敏感药物多柔比星。此外，琼脂糖与多糖和蛋白质的水凝胶复合物常被用作药物递送系统的载体，以弥补天然琼脂糖水凝胶在药物递送中的不足。Rossi等人[123]将琼脂糖与Carbomer 974P大分子单体结合合成水凝胶，作为空间阻断且分子结构化的药物，并以仿生分子钠荧光素作为药物递送载体。

为了克服传统治疗的局限性并提高药物递送过程的相关性和敏感性，可以使用对一系列内源性（pH、酶表达和氧化还原电位）或外源性（温度、超声、磁场和光）刺激有反应的材料作为药物递送系统的底物[124].琼脂糖水凝胶导电、pH响应性强且热可逆，是理想的可调式药物递送系统，通过在不同环境条件下刺激敏感反应来加注和控制药物释放，延长药物的滞留时间，从而降低剂量频率和药物的毒性效应[125].内源性药物递送直接将载体结合药物转移到靶点。Rajabzadeh-Khosroshahi等人[126]制备了一种可降解且生物相容性的几代糖/琼脂糖/石墨氮化碳纳米复合材料，用于装载和递送抗癌姜黄素。研究发现，纳米复合颗粒在pH敏感药物释放研究中有效提升姜黄素的生物利用度。Pourmadadi等人[127]开发了琼脂糖/甲壳糖双纳米乳液，作为姜黄素/5-氟尿嘧啶的药物递送载体，采用绿色合成方法。该纳米复合材料在递送姜黄素/5-氟尿嘧啶方面效率极高，具有极佳的癌细胞靶向治疗潜力。槲皮素是一种具有抗癌特性的药物，由于其低溶解度、低通透性和短半衰期，在癌症治疗中的应用受限。为此，Samadi 等人[128]将槲皮素装载到pH响应的琼脂糖-聚乙烯基吡咯烷酮-羟基磷灰石纳米复合材料中，并封装在无水乳液的内部水相中，发现其有效增强槲皮素的载荷能力、持续释放和凋亡效果。外源性药物递送是指药物从载体释放到靶位，并由各种刺激触发。Dong 等人[129]通过将 MXene 纳米片与抗癌药物阿里霉素一起装入低熔点琼脂糖水凝胶，开发了一种药物载荷 MXene/琼脂糖水凝胶药物递送系统，具有高光热转化效率和光热稳定性，从而实现近红外照射的可控释放。胡等人[130]通过嫁接并共聚2-羟基丙烯酸酯和醋酸乙烯Fe₃O₄@agarose纳米颗粒，制备了一种pH和磁场响应的药物递送系统，用于盐酸阿里霉素的给药，从而在弱酸或外部磁场存在下高效且持续释放盐酸阿里霉素。

3.5. 组织工程

组织工程结合了具有特定生物活性的组织细胞和生物材料，在体外或体内构建组织和器官，以维持、修复、再生或改善受损组织和器官的功能。支架材料作为组织工程的人工细胞外基质[131]。它支持细胞附着、生长、繁殖、新陈代谢以及新组织的形成。由于人体组织的独特性质，确定最佳脚手架类型仍然具有挑战性。研究最为深入的材料包括可生物降解聚合物、陶瓷样材料、复合材料以及源自生物来源的材料[132]。天然碳水化合物聚合物在组织工程支架中至关重要，因为它们无毒且具生物相容性[133]。琼脂糖具有独特的电中性和凝胶特性，相较于千胞聚糖和藻酸盐等常见碳水化合物[134]。基于琼脂糖的组织支架种类繁多，包括水凝胶、3D/4D打印支架等。

3.5.1. 琼脂糖水凝

水凝胶能够为细胞的粘附、增殖和迁移提供微环境，并促进生物分子交换，是组织工程的关键。琼脂糖因其受控的自组装特性和可调的水吸附能力，在多种组织工程应用中具有极大潜力[133,135]。单一琼脂糖的结构、组成和机械性能不利于定制化，通常与其他多糖复杂，以扩展其应用范围[134]。Su等人[136]制备琼脂糖多多巴胺（APG）水凝胶作为皮肤伤口愈合的支架。APG具有良好的细胞附着力和高细胞迁移率，使细胞能够穿透水凝胶网络。该研究还显示，复合水凝胶加速了全层皮肤缺损的愈合过程。此外，该水凝胶还可用于软骨组织工程。Singh等人[134]制备了桑葚和非桑葚丝水凝胶，混合琼脂糖，并在体外评估软骨组织形成。结果显示，混合水凝胶通过硫酸化糖胺聚糖促进细胞增殖和胶原沉积，明确表明复合水凝胶是软骨修复的潜在替代方案。

3.5.2. 3D/4D打印支架

三维打印利用计算机辅助设计模型，精确地层层沉积固体物体[137]，使生物结构能够模拟体内组织的结构和功能性质，并在组织工程领域具有重要意义[109,138]。3D打印的一个重要组成部分是生物墨水;因此，选择合适的生物墨水至关重要，必须满足胶化、剪切稀释、可打印性和粘弹性等基本要求[139,140]。琼脂糖凝胶天然具有这些特性，在特定条件下可以满足印刷要求。Fan等人[139]证明了混合三元三元糖-琼脂糖水凝胶可用作3D打印的生物墨水，表明琼脂糖成分可以承载3D打印结构，而玛特里杰尔则提供细胞生长所需的微环境。四维（4D）打印因其独特的特性，近年来吸引了越来越多的研究关注。四维打印使用特殊的智能材料来打印结构更复杂的物体，这些物体可以随着时间变化以响应特定的外部刺激[141]。郭金华以琼脂糖为底物，制备了一种4D打印的琼脂糖/拉波尼酸盐/聚合丙烯酰胺水凝胶。实验结果显示，4D凝胶可能进一步变形，且水凝胶通过外部处理和冷却会随时间改变形状[142]。

4. 材料与方法

关于琼脂糖提取、琼脂糖修饰及其在生物医学科学中的应用的最新研究，请参见Science Direct（爱思唯尔公司，荷兰阿姆斯特丹）、Pubmed（美国国家医学图书馆）。美国马里兰州贝塞斯达和Web of Science（Clarivate PLC，英国伦敦）数据库均可进行文档检索。在琼脂糖提取部分，使用了关键词“琼脂糖，提取”进行搜索，结果通过标题、摘要和全文筛选，以筛选1937年至2023年间关于琼脂糖提取的最佳文献进行分析。在琼脂糖修饰与应用部分，使用关键词“琼脂糖、修饰、生物医学应用”进行检索，结果筛选出标题、摘要、全文及过去五年内发表于该领域顶级期刊的文章。

5. 结论

琼脂糖是一种具有可调节性质的碳水化合物聚合物，在生物医学领域越来越具有吸引力。琼脂糖水凝胶的刚性、孔隙性、电性和亲水性特性使其在分离和纯化方面具有独特优势。此外，琼脂糖含有大量羟基，可以通过化学方法修饰这些羟基，获得特定官能团，并进一步推导不同类型的色谱分离介质，从而拓宽了其分离应用的范围。此外，琼脂糖卓越的生物相容性使其成为药物递送系统中最有前景的载体之一。特别是在靶向药物应用中，琼脂糖可以装载到病灶中进行靶向药物递送。由于琼脂糖的惰性结构，具有优异的生物相容性。可以调节琼脂糖的结构，以实现对空气和养分的可控渗透性，并调节细胞的附着。因此，基于琼脂的生物材料可以在仿生环境中为细胞提供生存空间。

6. 前景与挑战

聚焦生物医学领域，琼脂糖和改良琼脂糖因其独特的物理化学特性展现出巨大的应用潜力。然而，关于琼脂糖及其衍生物的大量研究仍需进行，以改善绿色提取和改良。首先，需要考虑琼脂糖的来源，包括从不同环境中生长的海藻中提取琼脂糖的成分或分子量差异;还需要选择更合适的琼脂提取和改质技术，并选择环保溶剂以提高产量和品质。此外，通过调节化学修饰预测琼脂糖凝胶的功能具有挑战性，因为琼脂糖的化学结构与力学性质之间的关系仍需进一步探明。

色谱是分离和纯化技术中最高效且温和的方法之一。为了实现高分辨率的纯化，微球的颗粒大小及其均匀性以及细孔结构是非常重要的因素。琼脂糖微球通常通过机械搅拌和均质乳化法制备，尺寸不均匀，需要二次筛分。近年来，膜乳化技术被开发用于制备微球，其特点是颗粒大小均匀且可控，反应条件温和，作简单，工艺绿色[80]。然而，要获得所需的微球，必须考虑多个因素，包括膜的类型、pH值、溶液粘度、温度、跨膜压力、连续相流量和制备效率。因此，这一技术需要进一步探讨。

天然琼脂糖富含羟基，能够与药物和生物活性分子形成氢键以供递送。然而，使用基于琼脂糖的原料作为药物递送系统存在局限性：最常被引用的法规包括相对较高的溶解温度、低降解速率、疏水性药物分子吸附潜力较低，以及某些药物的吸附/脱附速度较慢[118]。许多研究旨在通过化学修饰解决这些问题，但改良琼脂糖的毒性和生物相容性仍需解决。多项研究证明了改良琼脂糖具有低细胞粘附率、低体外细胞毒性及良好的生物相容性[52,143,144]。然而，大多数研究仍停留在体外，动物中改良琼脂糖负载药物的研究仍有改进空间，这表明改良琼脂糖基药物递送系统仍有很长的进步空间。

在组织工程领域，琼脂糖及其衍生物在动物试验中同样缺乏。因此，动物生物相容性、血相容性、再生能力和毒性的探索已成为研究重点。与此同时，琼脂糖的天然脆性一直是研究中被忽视的一个方面。具有自愈能力的柔性琼脂水凝胶已被开发出来[145]。借助可用于解决水凝胶体内相容性的类似研究，创新的琼脂糖基生物材料必将对生物医学应用产生越来越大的影响。