水凝胶近期突破性成果梳理

1、水凝胶表面快速实现微结构按需生长

北海道大学龚剑萍教授和Tasuku Nakajima教授（共同通讯作者）等人基于双网络水凝胶的力触发聚合机制提出了一种机械力压印的（force stamp）方法，可在水凝胶表面快速实现微结构按需生长。研究首先发现，在玻璃模板上制备DN水凝胶时，由于阴离子型的第一网络与带负电的玻璃板之间存在电荷排斥，因此阴离子第一网络常常被几微米厚的中性第二网络层覆盖，从而使水凝胶表面不具备双网络效应。为了防止双电层的形成，研究者在第二网络的合成时使用疏水模板并施加适当压力，由此可在水凝胶表面构筑双网络结构。借助该方法，研究可在几秒内根据功能需求对水凝胶表面的物理形态及化学性质进行快速、有效的可控调节。不仅如此，研究还验证了经过此方法工程化的水凝胶表面可用于细胞取向生长和水滴的定向运输。研究认为这种力触发化学改造水凝胶表面的策略，可为水凝胶在各个领域的应用发展提供新的思路。该研究论文第一作者为穆齐锋 (Qifeng Mu)，文章以题为“Force-triggered rapid microstructure growth on hydrogel surface for on-demand functions”发布在国际著名期刊Nature Communications上。

2、高强度抗撕裂导电水凝胶

中国科学院宁波材料技术与工程研究所智能高分子材料团队致力于功能与智能高分子水凝胶的研究。近日，该团队研究员陈涛等与宁波大学副教授王文钦合作，基于Hofmeister效应，利用溶剂置换的方法制备了高强度抗撕裂导电水凝胶（BRCH）和以此构建的新型摩擦纳米发电机（BRCH-TENG），有效增强了水凝胶的抗外力破坏能力，从根本上延长了H-TENG的安全使用寿命。该工作通过溶剂置换将有机凝胶中的二甲亚砜溶剂置换为电解质溶液，制备得到了高力学强度抗撕裂导电水凝胶。在溶剂置换过程中，随着电解质溶液的加入，淀粉高分子网络在Hofmeister效应下发生缠绕，形成物理交联的空间网络，使水凝胶的力学性能得到增强。另一方面，通过引入电解质溶液，大量自由离子进入水凝胶网络中，显著提高了BRCH的导电性。BRCH具有优异的力学性能，其最大压缩应力达到5.6 MPa，断裂能达到7.45 kJ/m2，抗穿刺应力达到15 MPa，显著高于传统水凝胶电极。利用该水凝胶构建的BRCH-TENG具有极佳的力学可靠性，在遭受锤击等外力冲击后依然能够稳定地输出能量，实现了BRCH-TENG在高冲击环境下的稳定工作，为改善H-TENG的环境适应性、从根本上延长其物理使用寿命提供了可行的新思路和新方法。同时，该BRCH-TENG在步幅识别、隐秘通讯等领域都展现了良好的应用前景。该工作以Breakage-resistant Hydrogel Electrode Enables Ultrahigh Mechanical Reliability for Triboelectric Nanogenerators为题发表在Chemical Engineering Journal上。

3、可注射医用胶

意外事故或手术过程中发生的创伤或出血，需要及时进行止血和伤口闭合，以避免失血或细菌感染等并发症，并需要促进伤口愈合，“无缝合”伤口封闭技术不仅能避免组织的二次损伤，更适合多种组织的应用。可注射粘附性水凝胶是实现“无缝合”伤口封闭的关键，目前的技术难点在于体内液体环境中，实现快速粘附和及时封闭损伤组织的同时，也要保持体积稳定，避免在受限空间使用时对周围组织造成压迫损伤。脊髓组织受到压迫容易造成神经的损伤，严重时会引起截瘫。中国科学院深圳先进技术研究院生物医药与技术研究所研究员潘浩波团队和研究员赵晓丽团队，联合香港大学深圳医院等多家单位通过材料设计，结合“升温收缩”纳米胶束和“粘附性小分子”模块，开发了兼具快速粘附和抗吸水溶胀的“稳态”可注射粘附性水凝胶（RAAS hydrogel），能够快速粘附和封闭损伤组织，实现包括心脏出血等多种出血模型的有效止血。同时，在脊髓腔内使用时，能够封闭硬脊膜损伤，有效避免了亲水性医用胶吸水膨胀压迫损伤脊髓组织的风险，表现出在脊柱手术中的潜在应用价值。 综上所述，该水凝胶的研究在降低材料溶胀对周围组织压迫损伤风险方面具有重要意义。此外，该凝胶体系的主要成分属于被批准临床使用的材料，降解时间可控，具有较好的临床应用前景。相关研究成果以An Injectable Rapid-Adhesion and Anti-Swelling Adhesive Hydrogel for Hemostasis and Wound Sealing为题发表在Advanced Functional Materials上。

4、具有免疫调控功能的β-葡聚糖-可得然多糖作为基底材料的复合水凝胶

据科学网报道，广东省科学院生物与医学工程研究所生物医学材料研究室针对当前临床上修复用皮肤敷料功能不全等问题，构建了一种制备简易、成本较低的多功能天然水凝胶敷料。相关研究近日发表于Carbohydrate Polymers。周宗宝博士、肖将尉博士为该论文共同第一作者，高博韬博士为通讯作者，广东省科学院生物与医学工程研究所为第一且唯一通讯单位。在本项研究工作中，研究人员选择了一种具有免疫调控功能的β-葡聚糖-可得然多糖作为基底材料，独特地采用了退火技术将天然多酚-单宁酸负载到可得然多糖的三股螺旋结构中，以此制造出了具备优良的物理化学性能的复合水凝胶。此外，该水凝胶表现出了一定的温敏特性，能够缓慢地释放单宁酸，并持续发挥出止血、抗氧化、抗炎以及抗菌等多重功效。进一步的动物实验研究结果显示，该天然水凝胶能够加速缺损皮肤的愈合。该研究利用工程技术手段，将两种天然物质结合构建出了具有多重功能的水凝胶，水凝胶的制造过程可重复性高，物理化学性能可控，生理功能多样，为进一步开发新型促愈合创伤敷料提供了新思路。

5、一种基于动态肟键和疏水相互作用的双动态交联水凝胶

据中山大学官网报道，近日，陈永明团队进一步采用葡萄多糖和F127建出一种基于动态肟键和疏水相互作用的双动态交联水凝胶，作为3D打印自固化水凝胶墨水。这种水凝胶墨水具有良好的温度敏感性，在低温下仅以轻度动态肟键交联，能够直接挤出成型；在被打印到生理温度环境时，凝胶组分形成疏水相互作用二次交联，从而增大凝胶强度和提高打印支架的稳定性。解决了当前生物3D打印水凝胶墨水往往需要紫外光交联、二次离子交联等辅助手段，及其面临小分子试剂残存等问题。双动态交联作用使水凝胶具有良好的自愈合能力，有助于在打印过程中结构间的融合。该水凝胶具有优异的力学韧性，如拉伸、压缩和恢复性能。经丝素蛋白包被后，该载体具有良好的细胞相容性并促进细胞增殖，包括HaCaT细胞、NHDF和HUVEC等皮肤细胞在整个结构中呈现铺展形态。该3D打印支架可作为皮肤再生或其他组织细胞治疗的支架材料。相关论文以题为“Direct 3D printing of thermosensitive AOP127-oxidized dextran hydrogel with dual dynamic crosslinking and high toughness” 发表在Carbohydrate Polymers（2022, 291, 119616）。

6、纯无机仿生润滑水凝胶

中国科学院兰州化学物理研究所徐路研究员（通讯作者）团队首次报道了一种仅由氧化石墨烯和水组成的双响应型机械与摩擦学自适应水凝胶，该纯无机水凝胶能够基于pH或温度诱导的内部微观结构重构，使自身机械强度或摩擦系数分别急剧或缓慢变化10倍与5倍以上。同时改变外部pH和温度则能够诱发凝胶的机械与摩擦学性能发生更加显著的变化。该行为能够高仿真模拟肌肉或海参在感受外部刺激或生物信号下的力学或摩擦学性能变化。该水凝胶在低pH值和室温下呈现优异的润滑抗磨性能，并可与由传统有机润滑基础油或添加剂所形成的凝胶相比肩。结合所使用氧化石墨烯凝胶因子的低毒性和生物降解性，以及该水凝胶易于制备的优点。研究者认为这种新型自适应水凝胶不仅能够用于仿生领域，还可作为智能与绿色超分子凝胶润滑剂用于精确调谐材料表面的摩擦学性能，继而在智能器件（如自清洁表面和微流体技术）的构筑方面表现出潜在应用价值。相关研究成果以“Dual-Driven Mechanically and Tribologically Adaptive Hydrogels Solely Constituted of Graphene Oxide and Water”为题发表在《Nano Letters》上。论文的第一作者为兰州化学物理研究所助理工程师胡璐琳，通讯作者为徐路研究员和山东大学郝京诚教授。

7、基于二维材料的光学各向异性水凝胶

清华大学深圳国际研究生院刘碧录副教授团队利用磁场控制二维钴掺杂氧化钛液晶的取向，制备出一种具有大双折射值的光学各向异性水凝胶。这种磁场控制方法具有无损、高度均匀等优点，可实现各向异性的精确调控。同时，得益于二维结构极大的几何径厚比及磁化率各向异性，二维钴掺杂氧化钛液晶具有灵敏的磁响应，在小磁场下可高度有序排列，从而赋予水凝胶较大的双折射。相关研究成果近日以《一种基于二维材料且具有可控干涉色的透射式水凝胶》（A 2D material–based transparent hydrogel with engineerable interference colours）为题发表在期刊《自然·通讯》上（Nature Communications）。

文章来源：材料人