在临床上，平坦部玻璃体切除术(PPV)是治疗一些严重的眼科疾病，如增生性糖尿病视网膜病变、视网膜脱落、玻璃体出血等，最有效的手段之一。PPV需要对大部分中央玻璃体进行切除，在术后需要一种人工玻璃体替代物来替换原有玻璃体并发挥其物理和生理功能。因此人工玻璃体替代物在眼外科手术中十分重要。气体和硅油是目前临床上最常用的玻璃体替代物。高表面张力使得气体具有良好的填充效果，但较低折射率会导致明显的视力偏差，同时气体在体内的滞留时间也较短。硅油具有透明度好、折射率接近天然玻璃体、粘度高等优点。但是，硅油在房水环境中易乳化，术后容易引起一系列并发症，如眼内炎症、视神经萎缩、白内障、青光眼等，临床上的使用仍受到限制。因此，开发一种新的玻璃体替代物以克服现有替代物的弊端是一个亟需解决的问题。

  在过去的几十年中，合成的水凝胶因其高含水率、良好的稳定性、可控的力学性能，有望成为更加理想的玻璃替代物。传统的化学交联水凝胶因其良好的体内稳定性、较高的机械强度，而被广泛地研究用于玻璃替代物。但是注射过程会破坏水凝胶的网络结构，导致其力学性能下降，在玻璃体腔内分布不均匀。同时还需要一种安全的方法来分解水凝胶，并在患者恢复后将水凝胶去除。超分子水凝胶与传统的化学交联水凝胶相比具有独特的剪切稀化和自愈合特性，在眼科微创手术中可以方便地直接注射和二次去除。然而，超分子水凝胶作为玻璃替代物，在稀释条件下的力学强度和稳定性较差。尽管多种的水凝胶已经被证明具有作为玻璃体替代物的潜力，但如何构建一种更加均衡的玻璃体替代物，在一种材料中可同时实现可靠的安全性、长期稳定性、良好的机械性能和可注射性，仍然是一个挑战。

  清华大学化学系刘冬生教授与北京大学第三医院眼科张纯教授合作在《Adv. Mater. Interfaces》上发表题为“DNA Supramolecular Hydrogel as a Biocompatible Artificial Vitreous Substitute”的文章（Adv. Mater. Interfaces 2021, 2101321），表明DNA超分子水凝胶是一种更加理想和均衡的新型人工玻璃体替代物。DNA超分子水凝胶是由刚性的DNA基元在生理条件下自组装而形成的新型超分子水凝胶，无色透明，在体外表现出良好的生物相容性。相比于大多数超分子水凝胶，DNA超分子水凝胶相对稳定，具有较好的力学强度，可以为视网膜及周围眼组织提供足够的支撑。此外， DNA超分子水凝胶良好的分子通透性也可使营养物质和代谢废物得以有效运输，以维持眼内微环境。最后，其优良的剪切变稀和自愈合性能使其在手术中易于注射。DNA超分子水凝胶的这些特性完美地满足了上述对理想玻璃替代物的要求。

图 1. DNA超分子水凝胶作为新型人工玻璃体替代物。

  研究者首先测试了DNA超分子水凝胶在37℃下的流变性质。在0.1 Hz-10 Hz的频率范围内，储能模量(G’)大于损耗模量(G’’)，表明DNA水凝胶成功形成。水凝胶较好的机械强度和稳定的粘弹性行为可以为眼内组织提供足够的力学支撑。之后研究者还证明了DNA水凝胶的剪切稀化性质。DNA水凝胶的粘度随着剪切速率的增加而显著降低，在阶跃进应变测量中，从高应变(100%)切换到低应变(1%)后，G ''和G″可以立即恢复到其初始值。DNA超分子水凝胶的剪切稀化和快速、完全可恢复性的特点，使其可以轻松地使用注射器注射，从而方便地应用于眼外科手术中。

图 2. DNA超分子水凝胶的流变及光学性质。（A）DNA超分子水凝胶频率依赖的剪切流变性能(1%应变，37°C)。（B）DNA超分子水凝胶在1%的低剪切应变和100%的高剪切应变下的阶跃应变扫描测试结果（1Hz，37%）。（C）DNA超分子水凝胶在37℃下的透光率随波长的变化（200 ~ 800 nm）。插图为DNA超分子水凝胶的照片。（D）在37℃条件下，DNA超分子水凝胶(0.75 wt%)在200 ~ 800 nm范围内的吸收光谱。

  研究者测量了DNA水凝胶在体温时的物理性质，包括pH，密度，含水量和折光系数，均与天然玻璃体十分接近。此外研究者对DNA水凝胶在200-800nm波长范围内的透光率进行了测试，DNA水凝胶在可见光波长内（400-800 nm）具有很高的透光率（> 90 %），并且可以过滤掉大部分的紫外光。因此，DNA超分子水凝胶不仅具有良好的透光性，还可以为视网膜提供额外的保护，有效屏蔽对视网膜有害的紫外线。DNA超分子水凝胶良好的物理性质和光学性能表明其具有作为人工玻璃替代物的潜力。

表1 DNA水凝胶的物理性质。

  在此基础上，本研究进一步将其注入兔眼玻璃体腔内填充，以观察水凝胶填充眼内的安全性和视网膜支撑性能。分别测量术前、术后1天、1周、2周、3周、1月和2月实验组及对照组的眼压。术后1周时，术眼眼压与左眼相比并无明显差异。这是由于DNA超分子水凝胶其独特的刚性网状结构限制了其自身的溶胀效应，因此水凝胶不会对眼周组织造成额外的压迫，也不会导致眼压升高、房角狭窄或关闭。研究者通过测量吸出的玻璃体在260 nm处的紫外吸收值，对术后1周至2个月的DNA含量进行定量，从而评估DNA超分子水凝胶的体内稳定性。在术后2个月的时间内，玻璃体在260 nm处始终保持较高的紫外吸收，表明DNA超分子水凝胶可以稳定地维持在玻璃体内较长时间，提供持久的填充效应。

图3. (A) 实验组和对照组在术前、术后1d、1w、2w、3w、1m和2m的眼压；(B)实验组和对照组玻璃体在术后1w、2w、3w、1m和2m对260nm紫外光的吸收率。

  眼前节检查中，可清楚观察到术眼的眼底红光反射，术眼的角膜、前房和玻璃体腔内均未见到明显异常。眼底检查中，可观察到视网膜平伏在位，视盘边清色正，视网膜血管走行正常。以上结果表明，DNA超分子水凝胶展现出了良好的生物相容性，没有发生毒性或炎症反应，并能有效支撑眼内结构。在术后1至2月的眼部B超结果中，可观察到屈光介质始终透明，并且视网膜在位，与眼球内壁紧密连接，未见视网膜脱离。该结果进一步证明了DNA水凝胶作为玻璃体替代物具备良好的生物相容性和填充效果，填充后能保持介质透明，并未引起玻璃体腔浑浊、出血、视网膜脱离等并发症， 利于术眼恢复。

图4. (A)实验组在术后1w、2w和2m的眼前节和（B）眼底照；(C)对照组在术后1w、2w和2m的眼前节和（D）眼底照；(A1)星号显示眼底的红光反射，箭头显示结膜充血；(A2) 箭头显示结膜充血已消退；(B2, B3, D) 虚线为视盘。

图5. 眼部B超图像：(A) 实验组术后1m：晶状体透明（虚线双凸面型），晶状体后囊呈高回声（箭头），视网膜在位（虚线弧型），玻璃体透明（星号）；(B)实验组术后2m；(C)对照组术后1m；(D) 对照组术后2m。

  在H&E染色结果中，术眼视网膜全层结构基本完整，细胞排列规则，未见明显炎症、细胞浸润、变性、坏死等病理改变。免疫荧光染色显示，GFAP在视网膜周边部的表达都略高于后极部，此由术后定期反复抽取玻璃体带来的干扰所致。此外，在两组中均未观察到CD68阳性细胞（巨噬细胞），这表明DNA超分子水凝胶几乎没有引起其他炎症反应。通过Tunel法行细胞原位凋亡检测，在术眼中观察到外核层（ONL）和内核层（INL）中有少量阳性表达，但与对照组无显著区别。以上结果均证实了DNA超分子水凝胶的生物相容性和低细胞毒性，显示出其作为玻璃体替代物的良好潜能。

图6. 术后2月兔眼视网膜组织学检查结果：(A) H&E染色；(B) GFAP+(激活的Müller细胞，红色箭头)；(C)CD68-；(D) Tunel+(凋亡细胞，亮蓝色及白色箭头)。GCL：神经节细胞层，INL：内核层，ONL：外核层。

  本研究探讨了DNA超分子水凝胶作为玻璃体替代物的潜在应用可能。本研究已证明，DNA超分子水凝胶具备较好的力学强度、良好的剪切稀化行为和快速恢复特性，以及包括密度、折射率和透明度在内的物理特性，皆证明其适合作为玻璃体替代物。体内实验中，通过兔眼术后的临床评估，包括眼压、前后节检查、眼部B超和组织学染色分析，他们发现DNA超分子水凝胶具备优良的生物相容性。此外，水凝胶在体内的稳定性良好，具备较长久的填充效果，能够维持正常的眼压和视网膜在位，并且不损害眼周组织。该水凝胶作为一种安全的玻璃体替代物，几乎没有产生不良反应。以上表明，DNA超分子水凝胶具有作为玻璃体替代物的巨大潜能，并为后续的临床试验提供了坚实的基础。

  原文链接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/admi.202101321