此前我们文章中曾多次提及全新的皮肤填充剂琼脂糖（Aga）水凝胶（点击阅读：琼脂糖 vs 透明质酸｜怎么选？）。Aga 是一种从海藻中提取的中性多糖，普遍人们认为它是电中性的，因此生物相容性也较高。在热水溶液中，Aga 分子处于无规卷曲结构。冷却后，琼脂糖链先形成双螺旋，主要通过氢键连接（下图）。这样形成的 Aga 凝胶可被归类为物理（温度）交联，使其有别于其他常见的注射材料（如胶原、透明质酸钠等）。Aga 凝胶是热可逆的，通过反复加热或冷却可以进行溶胶/凝胶过程。除温度外，Aga的 分子量或浓度对凝胶化过程也产生影响。低浓度的 Aga 允许生物聚合物链以螺旋构象聚集，随后形成团簇。随着浓度的增加，发生溶胶-凝胶转变，其中团簇通过不同组成的纤维束结合形成水凝胶（点击阅读：琼脂糖 - 为何不栓塞？）。有趣的是，Aga 凝胶呈现出不同的网孔尺寸，根据其浓度不同，在数百纳米数量级范围内变化。
作为重要的注射剂组成部分，离子（比如盐）的浓度往往影响着注射剂的渗透压；在 Aga 凝胶注射剂中，离子也会影响 Aga 凝胶的机械性质。离子如何影响 Aga 的凝胶性质呢？总体来说，离液盐（chaotropic salt）会扰乱分子间氢键，增加混乱度（因此有词根“chao-”），这会让 Aga 凝胶更柔软；相反，亲液盐（kosmotropic salt）会产生硬度更高、敏感性更低的水凝胶。如果共溶剂（在水溶剂中）有助于水-水相互作用的稳定性和结构，则它们被定义为亲液（kosmotropic，有序）。相反，离液剂（chaotropic，造成混乱）具有相反的效果，破坏水结构，增加非极性溶剂颗粒的溶解度，并使溶质聚集体不稳定。亲液剂导致水分子有利地相互作用，这实际上稳定了蛋白质等大分子的分子内相互作用。
不同的盐让水合能力不同，而对水分子的稳定性对不同蛋白、糖分子的影响是不一样的。有些盐，如硫氰化钠（NaSCN），只需一点点就可以让蛋白质变性，有些盐甚至达到最大溶解度时也不能使蛋白质变性，比如 NaCl。Hofmeister Series 展示了不同离子对水分子的稳定程度：当在 NaCl 或 KCl 等碱金属盐存在下制备并在低于 65°C 且离子强度高达 4 M 的条件下进行分析时，2% 浓度的 Aga 凝胶的机械性能几乎不受影响；有趣的是，向硫酸盐含量极低（< 0.25%）的 Aga 溶液中加入硫酸钠时，改变了整个凝胶体系的离子强度，由于硫酸根有强水合能力，它们抢夺了原本属于 Aga 单链周围的水分子，并进一步形成空间位阻，使得 Aga 单链很难按照预定的方式精确折叠成双螺旋并难以进一步形成螺旋-螺旋的聚集束，Aga 凝胶的整体机械强度下降了。根据前文的 Hofmeister Series 排名，NaCl 是排名靠中的，对蛋白影响也很小。硫酸根则是非常强力的亲液剂，是水的“秩序分子”，带有两个负电荷。高电荷密度意味着它对周围水分子的“掌控力”极强。它会抢夺大量的水分子来形成自己的水化层，而且水化层非常厚，从而剧烈改变水溶液的物理性质，导致琼脂糖链难以靠氢键结合。考虑到离子强度和水凝胶网络中的水组织在最终水凝胶结构中起作用，有学者制备了在不同量碱金属盐（NaCl 和 LiCl）存在下的 Aga 凝胶（1%），具体研究了离子强度
对力学性能的影响。
该研究调查了由不同碱金属盐产生的离子强度对商品化 Aga 样品组成的水凝胶机械性能的影响。使 Aga 粉末分散在两种单价盐（即 LiCl 和 NaCl）的存在下，将最终离子强度控制在 0-1 M 范围内。混合物在 121°C 下高压灭菌并立即在室温下淬火后，Aga 凝胶在37°C 下平衡 24 小时，并在 1 Hz下进行应力扫描实验。（对流变学不甚了解的读者推荐阅读：G′ G″ η tanδ都是什么？医美中的流变学）结果发现，无论使用何种单价盐或浓度，Aga 凝胶均表现出相似的行为：弹性模量 G′ 在低变形下与施加的应变无关，而在大变形下 G′ 逐渐降低，也就是表现出“应变软化”行为，这与之前使用 PBS 缓冲液作为介质的结果一致（下图a 和 b）。对于所有分析的样品，G″ 至少比 G′ 低一个数量级。这说明当变形（应变）达到一定程度后，Aga 的结构开始发生微观破坏（如螺旋束之间的交联点断裂），导致材料变“软”，模量下降。虽然加入盐可能会让凝胶稍微变软一点点，但它让凝胶变得更具“韧性”或“延展性”——即在发生永久性结构破坏之前，它能承受更大的变形量。加入单价盐像是在 Aga 的网格里加了一点“缓冲剂”。它可能没怎么改变房子的框架，但让房子在地震（施加应变）时更不容易裂开。离子强度对施加应变增加时粘性贡献的影响通过 tanδ = G′′/G′ 确定，如下图所示。为便于比较，将两种单价盐在 I = 1 M 时的效果与在去离子水中组装的 Aga 水凝胶进行了比较。在两种情况下，盐的添加都促进了 tanδ 上升的偏移，尽管程度不同：LiCl 的效果超过了 NaCl。总体来说，Aga 凝胶的机械行为取决于离子强度以及用于调节离子强度的碱金属类型，特别是在弹性程度和粘性响应方面；而直到离子浓度达到 0.75 M 之前，对剪切模量的影响都非常轻微。此外，一旦水凝胶在支持电解质存在下定型，通过在去离子水中广泛洗涤将其去除，对机械性能没有影响。传统观点只认为 Aga 的力学性能可通过改变浓度和温度轻松调节。而添加盐则是给了我们另一个调节力学性能的方案。盐在 Aga 水凝胶形成中的作用与其水合能力（离液还是亲液）有关。NaCl 或 LiCl 只改变了水凝胶的力学性能，而不会显著影响水凝胶的固化温度；盐的存在显著改变了水凝胶的弹性，特别是在压缩而非剪切条件下，其中 Li+ 因其更强的离液性而表现出更强的效应。此外，一旦网络形成，当通过洗涤去除盐时不会发生重构，且力学性能得以保持。这说明盐离子在 Aga 降温成胶的那一刻，就已经决定了微观网格的“长相”。一旦房子（凝胶网络）盖好了，即使撤掉支架（盐离子），房子的结构（机械性能）也不会再改变。这证明了盐离子影响的是成胶动力学，而非简单的物理填充。Aga 凭良好的力学性能和生物相容性也可应用于模拟细胞外基质（ECM），已有研究将其应用于人口腔粘膜和人角膜基质替代物。从流变学角度来看，ECM 是一种粘弹性材料（软物质），对施加的应力或变形表现出时间依赖性响应，这在流变测量中可以通过应力松弛和/或蠕变测试实现。表面活性剂在聚合物环境中可能导致两种组分之间通过静电、疏水或氢键发生相互作用，该作用取决于聚合物的性质。Aga 作为广泛应用的多糖聚合物，已在这一领域得到深入研究。
近期一项研究尝试对含有经典表面活性剂胶束结构（micellar structure，表面活性剂分子在溶液浓度超过临界胶束浓度后形成的分子聚集体，其亲水基与疏水基分别朝向外部和内部排列，通过范德华力维持结构稳定性）的 Aga 凝胶进行全面的流变学表征，通过振幅（应变）扫描测试、应力松弛测试以及蠕变和恢复测试。为观察潜在的静电相互作用效应，研究者将阳离子、阴离子以及非离子两亲物掺入 Aga 水凝胶中。为检测胶束结构的潜在效应，表面活性剂以低于和高于其临界胶束值的浓度使用，旨在提供关于自组装两亲结构对水凝胶力学行为影响的详细信息。
该研究对负载表面活性剂的 Aga 水凝胶进行了广泛的流变学表征和浊度测量。从所得结果可以得出结论：在临界胶束浓度以上添加不同电荷的表面活性剂（CTAB、SDS、Tween 20）会通过形成胶束（膜结构模型）来影响 Aga 水凝胶的三维内部结构，这些胶束在其中起到阻碍剪切变形的作用。这种结构增强通过线性粘弹区（LVR）中储能模量值的增加得到证实（上图），LVR 中储能模量的大小反映了结构的整体刚度；同时通过蠕变（下图左）和应力松弛测试（下图右）确定了更好的抗变形能力，其中应力松弛性质似乎对细胞分化和功能至关重要。
表面活性剂对水凝胶结构的显著改善在带正电的 CTAB 中尤为明显，即使在低于临界胶束浓度的浓度下也能产生影响。在这种情况下，除了储能模量增加外，还观察到 LVR 的扩展。应注意，这种改善不仅仅是由于水凝胶固体含量的增加。当将这些样品与含 200 mM 蔗糖（sucrose）的 Aga 进行比较时（下图），该水凝胶的力学性能与参考样品保持相同。因此，凝胶结构的强化不应简单地称为"填充效应"，而是"两亲结构效应"，这得益于胶束形成在水凝胶硬化中起着重要作用。
以这种方式，Aga 在与带相反电荷的表面活性剂混合时表现出类似于聚电解质的特性，导致这些体系的流变学性质发生重大变化。对于 CTAB 添加量超过其临界胶束浓度的水凝胶，结构强化是胶束形成和离子相互作用共同作用的结果，而电荷可能发挥更重要的作用。因此，在使用 Aga 时不应忽视这些潜在的相互作用，尤其当 Aga 是一种天然多糖，每个样品中带电荷基团的含量可能略有不同。
这些发现可能还有助于更好地理解自组装两亲结构对力学行为的影响，不仅适用于所研究的 Aga，还可能适用于其他多糖水凝胶（如壳聚糖）。在这些情况下，可以假设胶束和/或其他膜结构（细胞）的存在将通过掺杂这些自组装单元对水凝胶结构的强化以及这些结构的性质共同作用，改变（特别是增加）水凝胶的刚度。最后，这些结果也可应用于 ECM 与膜结构相互作用的粗略模型，可能有助于组织工程中人工 ECM 的配方设计。
总结来说，
离子强度和用于调节离子强度的碱金属类型，可显著影响 Aga 水凝胶的力学行为，特别是对弹性程度和粘性响应。这一作用与其配位水分子的能力有关，而非通过影响网络的网孔尺寸；
盐离子（如NaCl或LiCl）的存在改变了水凝胶的弹性等力学性能，但不会显著影响水凝胶的固化温度，一旦网络形成，通过洗涤去除支持性盐时不会发生重构，且力学性能得以保持；
在临界胶束浓度上添加不同电荷的表面活性剂（CTAB、SDS、Tween 20）会通过形成胶束来影响Aga水凝胶的三维内部结构，这些胶束在其中起到阻碍剪切变形的作用；
Aga 加入超过表面活性剂临界胶束浓度后，还显示出更好的抗变形能力，其中应力松弛性质似乎对细胞分化和功能至关重要。此外，表明活性剂引入的两亲结构是构成细胞和膜结构的基础，综合这些结果或有助于组织工程中人工细胞外基质（ECM）的配方设计；
虽然 Aga 骨架上仅存在痕量（极低量）的负电荷基团，但与带正电的表面活性剂 CTAB 相互作用时，也可能导致流变学性质的显著差异。对于CTAB添加量超过其临界胶束浓度的水凝胶，结构强化是胶束形成和离子相互作用共同作用的结果，但电荷可能发挥更重要的作用。
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