• 双螺旋形成能力: 琼脂糖的溶胶-凝胶转变并非简单的链缠结。在冷却过程中，琼脂糖分子链会首先两两配对，形成一个有序的双螺旋结构。
• 电中性: 理想的琼脂糖分子链不携带任何净电荷。这是其作为电泳介质的关键特性，因为它不会与带电的生物分子（如DNA）发生静电相互作用，保证了分离的准确性。

• 物理凝胶网络: 琼脂糖凝胶的形成是一个多级自组装过程。首先形成的双螺旋结构会进一步聚集，形成更粗的“超螺旋束”(supercoiled bundles)。这些坚固的束状结构作为“交联点”，将大量的线性链段连接起来，形成一个宏观的三维网络，将水分子物理地固定在其中。
• 大孔径结构 (Macroporous): 琼脂糖凝胶的网络结构具有非常大的有效孔径（可达数百纳米）。这个特性使其成为一个完美的分子筛，能够让巨大的生物分子（如DNA片段、病毒）在其中迁移和分离，这是聚丙烯酰胺凝胶无法做到的。
• 生物惰性 (Bio-inert): 琼脂糖表面几乎不与蛋白质或细胞发生非特异性相互作用，是一种优良的抗生物污染材料。

琼脂糖主要作为一种基质材料，通过物理共混来改善其力学性能或赋予其生物活性。

这是改善琼脂糖凝胶性能，特别是用于组织工程时的常用策略。

• 与明胶/胶原共混: 纯琼脂糖凝胶是生物惰性的，不利于细胞的粘附。通过将其与明胶或胶原等含有细胞粘附位点的蛋白质共混，可以制备出既具有琼脂糖的力学支撑，又具有促进细胞粘附功能的复合水凝胶。
• 与海藻酸盐共混: 共混后可以形成互穿网络水凝胶，结合了琼脂糖的热可逆性和海藻酸盐的离子交联特性。

在电泳技术中，琼脂糖-聚丙烯酰胺(agarose-polyacrylamide)复合凝胶被用于分离介于两者最佳分离范围之间的核酸片段，结合了琼脂糖易于操作和聚丙烯酰胺高分辨率的优点。

琼脂糖的保护功能源于其极其温和的凝胶化过程和生物惰性的三维网络，使其成为封装和保护脆弱生物实体的理想选择。

琼脂糖凝胶的形成是纯粹的物理过程（冷却），不涉及任何化学反应或有毒试剂。这使得它可以在凝胶形成前，与脆弱的生物分子（如酶、抗体、甚至活细胞）混合，然后在冷却后将其完整无损地包埋在凝胶网络中。

• 酶固定化: 将酶包埋在琼脂糖微球中，可以保护酶免受外界蛋白酶的降解，并便于酶的回收和重复使用。

在分子生物学操作中，特别是处理大片段基因组DNA时，DNA极易被机械剪切力打断。将细胞预先包埋在琼脂糖块（称为plugs）中，然后在凝胶块内进行细胞裂解和蛋白去除等操作，可以全程保护DNA长链的完整性，是脉冲场凝胶电泳(PFGE)的关键前处理步骤。

这是琼脂糖在生物化学和分子生物学领域最核心、最不可或缺的应用，是所有分子克隆、基因测序、PCR产物分析和法医DNA指纹鉴定等技术的基础。

• 工作原理: 将琼脂糖粉末在缓冲液中加热溶解后，倒入模具中冷却，形成一块凝胶板。DNA/RNA样品被加载到凝胶一端的孔中。由于核酸的磷酸骨架带负电，施加电场后，它们会向正极移动。
• 分子筛作用: 琼脂糖凝胶网络作为一个分子筛，对移动的核酸分子产生阻力。小片段的DNA受到的阻力小，移动得快；大片段的DNA受到的阻力大，移动得慢。 经过一段时间的电泳后，不同大小的DNA片段就会被分离开来，形成清晰的条带。
• 浓度决定分离范围: 通过调节琼脂糖的浓度（通常在0.5%至2%之间），可以改变凝胶的孔径，从而精确地分离不同大小范围的DNA片段。

经过化学交联和加工的琼脂糖微球，是生物大分子分离纯化中应用最广泛的色谱填料基质，其商业化产品（如Sepharose®, Superose®）是生物制药下游工艺的基石。

• 应用:
  • 尺寸排阻色谱: 分离不同大小的蛋白质。
  • 离子交换色谱: 通过在琼脂糖上引入带电基团（如DEAE, CM）制成。
  • 亲和层析: 通过在琼脂糖上共价连接特异性配体（如抗体、谷胱甘肽）制成，用于“一步法”高纯度地捕获目标蛋白。

琼脂糖凝胶是构建三维细胞培养模型的经典材料，其核心优势在于其生物惰性和非细胞粘附性。

• 悬浮培养与细胞球形成: 在琼脂糖凝胶表面或内部培养细胞，可以防止细胞贴壁生长。这迫使细胞相互聚集，形成更接近体内生理状态的三维细胞球(spheroids)。这种模型被广泛用于肿瘤学研究和药物筛选。
• 软琼脂集落形成实验: 用于检测细胞的恶性转化能力。只有癌细胞才能在半固体的琼脂糖凝胶中脱离基底依赖性而增殖，形成肉眼可见的细胞集落。

琼脂糖是组织工程，特别是软骨组织工程中，研究最深入的支架材料之一。

• 模拟软骨基质: 琼脂糖水凝胶的高含水量和力学性能（特别是抗压性）与天然软骨有相似之处。
• 维持软骨细胞表型: 其非粘附的特性可以防止软骨细胞去分化为成纤维细胞，有助于其维持合成软骨基质的功能。

琼脂糖被公认为是生物相容性最好、生物惰性最高的天然生物材料之一。它无毒、非免疫原性，在生物医学应用中具有极高的安全性。

琼脂糖的安全性风险几乎完全来自于其原料和纯化过程，而非材料本身。

• 原料: 琼脂糖来源于天然红藻，是一种可再生的、可持续的资源。
• 杂质:
  • 琼脂胶 (Agaropectin): 这是粗制琼脂(Agar)中的主要杂质，是一种带硫酸根和羧基的带电多糖。它的存在会引起电泳中的电内渗(EEO)现象，并可能与生物分子发生非特异性相互作用。高品质的琼脂糖必须将其含量降至最低。
  • 内毒素和蛋白质: 用于细胞培养或体内应用的琼脂糖，必须是超纯级的，严格控制内毒素和蛋白质等免疫原性杂质的含量。

琼脂糖不是通过单体聚合来“合成”的，而是通过从特定的红藻 (Red Seaweeds) 中进行提取和精细纯化来“生产”的。

整个过程的核心是从一种名为“琼脂”(Agar)的混合物中，将中性的琼脂糖分离出来。

1. 第一步：琼脂的提取
   将富含琼脂的红藻（主要是石花菜属 *Gelidium* 和江蓠属 *Gracilaria*）进行清洗和预处理，然后在高压下用热水或稀酸溶液进行萃取。琼脂被溶解到热水中，形成粘稠的溶液。


2. 第二步：琼脂的初步纯化
   将热的琼脂溶液过滤以去除藻体残渣，然后冷却。冷却后，琼脂会形成凝胶。传统的“冷冻-解冻”法被用来脱水和初步纯化凝胶。


3. 第三步：琼脂糖与琼脂胶的分离
   这是最关键的一步。琼脂是中性的琼脂糖和带电的琼脂胶(Agaropectin)的混合物。必须将带硫酸根和羧基的琼脂胶去除，才能得到高品质的琼脂糖。工业方法包括：
   • 季铵盐沉淀法: 利用带正电的季铵盐选择性地沉淀带负电的琼脂胶。
   • 离子交换层析法: 将琼脂溶液通过一个阴离子交换树脂，琼脂胶被吸附，而中性的琼脂糖则流穿出来。

对于琼脂糖，其物理功能性指标远比化学结构参数更重要，直接决定了其应用性能。

• 凝胶点 (Gelling Temperature): 这是琼脂糖溶液冷却时形成凝胶的温度。是其最重要的规格参数之一。
• 熔点 (Melting Temperature): 这是凝胶在加热时熔化为溶液的温度。
• 凝胶强度 (Gel Strength): 衡量凝胶坚固程度的指标。通常用一个标准探头压破特定浓度（如1%）的凝胶所需的力(g/cm²)来表示。
• 电内渗 (Electroendosmosis, EEO): 这是衡量琼脂糖纯度的最关键指标。它反映了凝胶中残留的带负电荷的基团（主要是硫酸根）的多少。EEO越低，说明琼脂糖越纯，DNA在电泳中迁移得越真实、条带越清晰。

• 硫酸根含量 (Sulfate Content): EEO的化学基础。通过化学分析法直接测定，是纯度的直接指标。
• 分子量 (MW): 通常使用GPC-MALS进行测定，但对于常规应用，其功能性指标更为重要。

琼脂糖在表面工程中主要扮演一个理想的、生物惰性的三维基底 (Matrix) 角色。其本身不参与生物识别，但其丰富的羟基为后续的表面功能化提供了一个完美的“画布”。

这是琼脂糖在表面工程中最成功的商业化应用。经过交联的琼脂糖微球（如Sepharose®）是构建亲和层析介质的黄金标准。

• 活化与偶联: 琼脂糖表面的大量羟基可以通过多种化学方法进行“活化”，例如：
  • 溴化氰 (CNBr) 活化法 (经典方法): 生成一个高反应活性的中间体，可以与蛋白质的伯胺基反应。
  • NHS酯活化法: 更加稳定和高效的现代方法。
• 功能: 活化后的琼脂糖表面可以共价、稳定地连接上任何具有伯胺基的生物配体，如抗体、蛋白A/G、谷胱甘肽、金属螯合剂(IMAC)等。这些功能化的琼脂糖珠被用于从复杂的生物样品中“钓”出特异性的目标蛋白。

琼脂糖凝胶固有的非细胞粘附性，使其成为研究细胞粘附信号的理想“空白对照”背景。

• 空间选择性功能化: 通过微接触印刷等技术，可以在琼脂糖凝胶表面选择性地印上含有细胞粘附肽（如RGD）的“墨水”。细胞只会粘附在印有RGD的区域生长，从而可以精确地控制细胞的图案化排布。