超热门材料具备什么魔力——带你了解近期水凝胶的最新成果

水凝胶（Hydrogel）是一类极为亲水的三维网络结构凝胶，它在水中迅速溶胀并在此溶胀状态可以保持大量体积的水而不溶解。水凝胶已广泛用于与生物有机体紧密相互作用的应用中，例如组织工程，药物输送和生物学研究。最近，由于其优异的柔软性，湿润性，响应性，生物相容性和生物活性，人们对水凝胶在包括传感器，致动器，涂层，光学，电子和集水器在内的设备和机器中的多功能性进行了深入研究。探索水凝胶的最新动态，将使得科学研究可以更进一步，接下来带领大家解读发在顶刊最新的水凝胶的研究。

1. 韩国蔚山科学技术院Chaenyung Cha（Biomaterials）：协同控制3D生物活性水凝胶平台的力学和微结构，以促进工程肝组织的再生潜

组织工程学被广泛认为是一种新的医学范式，旨在通过应用各种工程学方法培养具有治疗潜力和能力的细胞来形成功能组织，从而在一种材料中形成组织结构以发挥其最佳生长和功能。为了成功工程化组织的功能，有必要找到用于特定类型的组织的细胞来源，而且还提供一个合适的微环境，以优化增长和最大化细胞功能潜力。因此，组织工程需要生物学，化学，材料科学等不同学科的共同努力才能实现最终目标。在生物活性支架内培养具有治疗潜力的自体细胞以诱导功能性组织形成被认为是实现患者特异性再生医学的理想方法。为此，水凝胶通常被用作支架材料，主要是因为它们具有可调节的机械和扩散特性以及呈现出细胞反应性部分。

韩国蔚山科学技术院Chaenyung Cha采用了两种策略来控制水凝胶的物理力学性能和微体系结构，以使工程肝组织的功效最大化。首先，具有可调节程度的反应性官能团的亲水性聚合物交联剂被用于在宽范围内控制机械性能，同时使扩散性能的变化最小。第二，利用光刻技术将微通道引入水凝胶，以克服水凝胶的临界扩散极限。通过对组织收集的成纤维细胞进行直接重编程而获得的肝祖细胞进行封装，这种策略以组合方式控制水凝胶的力学，扩散和结构的应用优化其肝功能。最后通过使用体内急性肝损伤模型进一步证明了该工程肝组织的再生能力。

参考文献：Kim S, Park MR, Choi C, Kim JB and Cha C. Synergistic control of mechanics and microarchitecture of 3D bioactive hydrogel platform to promote the regenerative potential of engineered hepatic tissue. Biomaterials 2021:120688.

2. 南京工业大学董晓臣联合沙特国王科技大学Husam N. Alshareef（ACS Nano）：Ti₃C₂T_xMXene活化的可伸缩自愈合水凝胶的快速凝胶化：一种分子策略

由于其表皮顺应性，可编程的抗疲劳性，结构和功能的可调性，自修复水凝胶是软机器人可拉伸光电和电子皮肤的潜在支柱。 但是，为了在可拉伸电子产品中可靠使用，迫切需要寻找具有出色的机电和多响应功能的自修复导电水凝胶。以MXene为基础的水凝胶是一个蓬勃发展的软材料家族，最近已经成为用于可伸缩电子产品的有前途的候选材料。

南京工业大学董晓臣联合沙特国王科技大学Husam N. Alshareef报道了T_i3C₃T_x MXene可以在几分钟内活化不同聚合物水凝胶的快速凝胶化，包括丙烯酸(AA)、丙烯酰胺(AM)、N,N-二甲基丙烯酰胺(DMA)、N-异丙基丙烯酰胺(NIPAM)、甲基丙烯酸羟乙酯(HEMA)、苯胺(ANI)和聚乙二醇双丙烯酸酯(PEGDA)等。即使是亲油单体甲基丙烯酸甲酯(MMA)，也可以在亲水性MXenes的帮助下在3天后凝胶化。通过调节MXene与聚合物之间的动态相互作用，可以获得具有出色的可拉伸性，粘合性和自修复能力的水凝胶。

参考文献：Ge G, Zhang Y-Z, Zhang W, Yuan W, El-Demellawi JK, Zhang P, et al. Ti3C2Tx MXene-Activated Fast Gelation of Stretchable and Self-Healing Hydrogels: A Molecular Approach. ACS Nano 2021.

3. 东南大学顾宁（Biomaterials）：基于具有可调微环境特性的水凝胶的三维细胞培养平台，可改善MIN6细胞的胰岛素分泌功能

糖尿病包括1型和2型糖尿病，是由于胰岛素绝对或相对缺乏引起的。胰腺β细胞系如MIN6细胞或其他细胞系主要负责调节胰岛素的合成和分泌，因此，在系统葡萄糖稳态中至关重要。目前，胰岛细胞移植为糖尿病患者提供了有希望的治疗方法。但是，最具挑战性的问题之一是胰岛存活率低，尤其是胰岛移植后β细胞的破坏，从而降低了胰岛素的储存能力和葡萄糖刺激的胰岛素分泌。已经研究了许多方法来改善β细胞的质量并增强胰岛移植技术的结果。这些方法包括封装胰岛细胞以保护其免受免疫反应，将胰岛细胞与支持细胞一起移植，设计人工胰腺，优化胰岛移植部位等。

东南大学顾宁提出了一种新颖的三维策略，用于基于具有可调机械和界面特性的水凝胶诱导多细胞球体的形成。结果表明，MIN6细胞可以感知底物并在具有可调物理特性的水凝胶上形成紧密簇状的单层或多细胞球体。与传统的2D细胞培养系统相比，在3D培养模型中培养的MIN6细胞的葡萄糖敏感性大大提高，其胰岛素含量（相对于蛋白质量）增加了7.3到7.9倍。此外，与2D对照组相比，在3D平台上MIN6细胞中某些关键因素（例如Pdx1，NeuroD1，Piezo1和Rac1）的相对基因和蛋白质表达水平明显更高。由此这种为产生多细胞球体而开发的3D细胞培养系统将是临床胰岛移植中糖尿病治疗的有前途的平台。

参考文献：Zhang M, Yan S, Xu X, Yu T, Guo Z, Ma M, et al. Three-dimensional cell-culture platform based on hydrogel with tunable microenvironmental properties to improve insulin-secreting function of MIN6 cells. Biomaterials 2021:120687.

4. 爱尔兰利默里克大学Mario Culebras（ACS Sustainable Chemistry & Engineering ）：木材衍生的水凝胶可作为药物释放系统的平台

控释系统可将药物剂量调整至特定速率，从而将药物浓度保持在有效的治疗水平上，从而最大限度地发挥其在体内的作用。除了控释以外，靶向释放还可以提高药物的效率，因为它可以递送至需要治疗的体内特定部位。因此，用于药物控制释放的新型平台是药学界了广泛关注的领域。水凝胶由于其有利的特性而具有巨大的潜力，例如可调节的随时间变化的溶胀行为，生物相容性，可调节的机械行为以及易于化学修饰。

爱尔兰利默里克大学Mario Culebras着重于开发由纤维素/木质素共混物组成的木材衍生水凝胶，从而生产出一种新的水凝胶平台，用于靶向和可控药物递送平台。另外，将这些水凝胶的结构/性质关系映射为组成和木质素类型的函数，以提供对这些系统的全面理解。组分间的分子相互作用对其粘弹性行为起着重要作用，有机溶剂型木质素更容易形成氢键。利用有机溶剂木质素时，由于疏水性的引入，木质素分子结构的变化极大地影响了水凝胶的溶胀能力，这降低了水凝胶网络的吸水性，而木质素磺酸盐结构中离子磺酸基团的存在增加了水凝胶的溶胀能力。总而言之，这项工作为制药领域中木质素的增值提供了新的机会。

参考文献：Culebras M, Barrett A, Pishnamazi M, Walker GM and Collins MN. Wood-Derived Hydrogels as a Platform for Drug-Release Systems. ACS Sustainable Chemistry & Engineering 2021.

5. 广东工业大学谭帼馨（Advanced Functional Materials）：可注射自愈的天然生物聚合物基水凝胶胶粘剂，具有热响应性可逆粘连，可用于微创手术

传统的手术闭合或植入物固定方法（例如缝合线，钉书钉，网眼和移植物）会导致较大的浸润性，创伤，渗漏以及组织整合不足，这是由于组织与固定装置之间的顺从性严重不匹配所致。手术密封剂具有粘合性能，可以替代这些方法，并且有诸多好处例如减少手术时间，最大程度地减少治疗侵入性，减少额外的创伤和患者失血以及防止体液泄漏。源自天然细胞外基质的天然水凝胶与人体软组织相似，具有水合3D网络以及固有的生物相容性和生物降解性，因此对于组织胶粘剂是有利的。

广东工业大学谭帼馨开放了基于两种细胞外基质衍生的生物聚合物（明胶和硫酸软骨素）的具有热响应可逆粘合性的可注射自愈生物相容性水凝胶粘合剂，可被用作密封或重新连接破裂组织的外科手术粘合剂。生成的水凝胶具有良好的自我修复能力，可以方便地通过针头注射。在生理温度下强大的组织粘附力源自席夫碱和水凝胶与组织之间的氢键相互作用，在低温下该相互作用会减弱，从而容易在凝胶化状态下将水凝胶从组织上剥离。体内和离体大鼠模型表明，该粘合剂可以在没有缝合线或缝钉的情况下有效地密封伤口出血和液体渗漏。总的来说，该粘合剂有几个优点，包括低成本，易于生产和应用，使其成为一种特殊的多功能组织粘合剂/密封胶，在微创手术中有应用前景。

参考文献：Zhou, L., Dai, C., Fan, L., Jiang, Y., Liu, C., Zhou, Z., Guan, P., Tian, Y., Xing, J., Li, X., Luo, Y., Yu, P., Ning, C., Tan, G., Injectable Self‐Healing Natural Biopolymer‐Based Hydrogel Adhesive with Thermoresponsive Reversible Adhesion for Minimally Invasive Surgery. Adv. Funct. Mater. 2021, 2007457.

6. 四川大学王云兵（Chemical Engineering Journal ）：双交联的贻贝启发式智能水凝胶，具有增强的抗菌和血管生成特性，可通过pH响应快速释放货物来治疗慢性感染的糖尿病伤口

水凝胶是具有高水含量的交联的三维聚合物网络，由于其与生物组织的机械和化学相似性而已得到广泛研究。水凝胶在物理和化学设计中的显着灵活性使其成为有前途的生物医学材料。水凝胶具有许多不同的应用，包括用于分离基质，生物技术转化的酶载体，以及用于组织工程，骨再生，药物递送和免疫疗法的载体等。通过在病理组织中提供高剂量和恒定的药物释放以及可忽略不计的毒性，水凝胶在药物输送中具有独特的优势。

四川大学王云兵开发了一种双交联的贻贝启发式智能的水凝胶，pH响应水凝胶对皮肤组织具有良好的粘附性能，并且在第二次手术中不会对组织造成损害。由于双席夫碱键能够促进银纳米粒子和去铁胺药物在伤口部位的快速释放，使得可以促进伤口愈合的双重机制包括抗菌和血管生成。总而言之该水凝胶是可生物降解的，并且具有很好的生物相容性。

参考文献：Hu C, Long L, Cao J, Zhang S and Wang Y. Dual-crosslinked mussel-inspired smart hydrogels with enhanced antibacterial and angiogenic properties for chronic infected diabetic wound treatment via pH-responsive quick cargo release. Chemical Engineering Journal 2021;411:128564.

7.上海交通大学李海燕（ACS Applied Bio Materials）：掺入生物玻璃能改善藻酸盐/羧甲基壳聚糖水凝胶伤口敷料的机械稳定性和生物活性

通常，在皮肤伤口区域应使用合适的敷料，以防止感染并促进伤口愈合。传统的伤口敷料，例如纱布，柔软的亚麻布，天然或合成绷带，棉花和其他产品，虽然具有机械稳定性，但缺乏生物活性和不能为伤口表面提供湿润的环境。近来，越来越多的研究表明，伤口敷料的生物活性以积极促进伤口愈合也很关键。基于这些要求，水凝胶伤口敷料在临床上越来越受到关注。与纱布伤口敷料相比，水凝胶伤口敷料具有许多优点，例如吸收性，透气性，不粘连性，生物相容性，并且能够产生湿润的微环境。 另外，通过将诸如药物或生长因子的生物活性分子掺入水凝胶中，容易提高水凝胶的生物活性。

上海交通大学李海燕通过在海藻酸盐/羧甲基壳聚糖（SA / CMCS）水凝胶中添加生物玻璃（BG）粉末以形成用于伤口愈合的SA / CMCS / BG水凝胶，可以改善SA / CMCS水凝胶的机械稳定性，血液凝结，抗菌能力和生物活性。SA / CMCS / BG水凝胶的杨氏模量为9.5 kPa，在PSS中可以保持稳定超过20天。更重要的是，添加BG可以通过调节宿主的炎症反应，刺激内皮细胞和成纤维细胞的迁移和增殖，增强血管形成和肉芽形成，从而大大加快SA / CMCS / BG水凝胶的生物活性，从而最终加速伤口的愈合过程。综上所述，通过与BG的简单结合，SA / CMCS水凝胶就被功能化为具有生物活性，并经过优化以具有机械稳定性，良好的抗凝性和抗菌性能，

参考文献：Wu X and Li H. Incorporation of Bioglass Improved the Mechanical Stability and Bioactivity of Alginate/Carboxymethyl Chitosan Hydrogel Wound Dressing. ACS Applied Bio Materials 2021.

8. 浙江科技大学吕汪洋（Chemical Engineering Journal）：一维丝质纳米纤维和二维石墨氮化碳纳米片共同增强的抗冻抗菌导电有机水凝胶柔性传感器

近年来，具有可穿戴性，柔性，远程操作和及时反馈的优点的可伸缩/可穿戴柔性电子设备引起了越来越多的关注，并被广泛应用于各个领域，例如柔性传感器设备，可穿戴显示器，可植入医疗设备和仿生皮肤等。作为可拉伸/可穿戴柔性电子设备的核心组件，灵活的传感器可以将外部刺激（张力，压缩和温度）转换为可检测的电信号（电阻和电容）。作为柔性传感器的重要组成部分，导体对柔性传感器的性能具有重大影响。因此，导体不仅应具有良好的挠性和高拉伸性，而且还应具有显着的抗疲劳性和生物相容性。这表明柔性传感器本质上需要开发具有高电导率，出色的可拉伸性和抗疲劳性的有效导体。

浙江科技大学吕汪洋创造性地使用了柔软的一维丝绸纳米纤维（SNF）和坚硬的二维石墨氮化碳（g-C₃N₄）纳米片，以共增强聚乙烯醇（PVA）有机水凝胶。令人惊讶的是，仅添加了0.1％的丝纳米纤维和少量的g-C₃N₄纳米片极大地提高了有机水凝胶的拉伸强度（约3.2倍）和韧性（约7.7倍）。通过使用由水和乙二醇组成的二元溶剂体系，有机水凝胶具有防冻功能，即使在-18°C，它也可以很好地保持有机水凝胶的柔韧性和导电性。由于添加了Al³⁺，导电聚乙烯醇-丝纳米纤维-石墨氮化碳纳米片（PVA / SNF / CN）有机水凝胶对大肠杆菌和金黄色葡萄球菌的杀菌率分别为99.527％和99.41％。基于PVA / SNF / CN有机水凝胶的三明治式柔性应变传感器具有较大的线性传感范围（0％-100％），快速响应（276 ms）和出色的抗疲劳性能（1000个循环）。它不仅可以成功检测到人体运动（腕部弯曲，膝关节弯曲）和面部表情（微笑和皱着眉头），而且还能在使用长达20天的时间内保持输出信号的准确性。PVA / SNF / CN有机水凝胶在柔性传感器中显示出巨大的潜力。

参考文献： Bao S, Gao J, Xu T, Li N, Chen W and Lu W. Anti-freezing and antibacterial conductive organohydrogel co-reinforced by 1D silk nanofibers and 2D graphitic carbon nitride nanosheets as flexible sensor. Chemical Engineering Journal 2021;411:128470.

9. 德国德累斯顿工业大学Simon Binder（Sensors and Actuators B: Chemical）：基于双敏感水凝胶的力补偿化学传感器的性能

长期以来，人们已经研究了刺激响应水凝胶作为化学传感器中的传感器。它们的优势在于，作为亲水性聚合物网络，它们根据测量溶液中存在的刺激采用特定的体积，并且聚合物的溶胀或吸水程度是可逆的。结合起膨胀压力传感器作用的压阻压力传感器，可以将膨胀程度（取决于测量变量）转换成电输出信号。过去已经研究了刺激响应水凝胶在化学微传感器中作为传感器的应用，然而水凝胶的体积相变还具有许多缺点，例如粘弹性蠕变和建立时间长，这限制了水凝胶基传感器的竞争力。用双敏感水凝胶进行力补偿是一种测量方法，旨在通过抑制水凝胶的体积相变来抵消这些缺点。

德国德累斯顿工业大学Simon Binder以压阻式水凝胶传感器原理为例，介绍了用双敏水凝胶测量分子内力补偿的方法。为了简单起见，选择生理盐水浓度作为测量变量，温度作为补偿刺激。通过比较传统偏转法和新补偿法对传感器的测量结果，表明采用分子内力补偿法测量传感器的性能得到了较大的改善，并且该力补偿传感器能够成功地抑制膨胀。在补偿模式下，可获得与偏转模式同样好的再现性。通过这种分子内力补偿传感器设计，由于肿胀抑制，传感器的沉淀时间可以减少70%。此外，还可以证明力补偿传感器不表现出明显的迟滞行为。这意味着粘弹性蠕变得到了充分的抵消。该方法应用于其他基于水凝胶的传感器原理以及开发对葡萄糖浓度敏感的水凝胶将会是未来研究的主题。

参考文献：Binder S and Gerlach G. Performance of force-compensated chemical sensors based on bisensitive hydrogels. Sensors and Actuators B: Chemical 2021:129420.

10. 西湖大学杨贤鹏（ACS Sustainable Chemistry & Engineering）：紫外接枝纳米纤维素纤维增韧水凝胶

水凝胶是高度水合的聚合物网络，在生物学应用（例如人造组织和软生物电子学）中具有巨大潜力。在大多数情况下，水凝胶需要承重性能。然而，同时获得坚韧和坚固的水凝胶仍然具有挑战性。纤维素纳米纤维 （CNF） 具有许多增强水凝胶的优点，包括良好的亲水性，优越的强度和刚度，高比表面积以及可调节的表面化学性质。 通过将CNF添加到水凝胶前体溶液中，可以很容易地将CNF掺入聚合物基质中，但是拉伸强度的提高通常受到CNF含量低和界面相互作用弱的限制。同时接枝聚合物的纳米填料可以形成单组分纳米复合材料（也称为无基质纳米复合材料），从而改善了界面相容性和韧性。

西湖大学杨贤鹏报道了各种乙烯基单体可以在不使用引发剂的情况下在紫外线辐射下接枝到CNF上，这被称为紫外线接枝。通过新颖且绿色的方法，即在不存在引发剂的情况下进行紫外线照射，将聚合物基质从CNF的表面接枝形成单组分纳米复合水凝胶。结果，与具有相同组成但独立的CNF-基质结构的水凝胶相比，该水凝胶的韧性大大提高了140.6％。同时还发现，与基于软木的CNF相比，基于硬木的CNF产生了更可拉伸但更柔软的水凝胶。揭示了CNF的表面化学在制造这种纳米复合材料中起重要作用。

参考文献：Yang X, Wang L, Yano H and Abe K. Toughened Hydrogels through UV Grafting of Cellulose Nanofibers. ACS Sustainable Chemistry & Engineering 2021.

11. 印度Amrita Vishwa Vidyapeetham大学Rangasamy Jayakumar（Carbohydrate Polymers）：血管收缩剂和凝血活化剂包裹的壳聚糖基复合水凝胶可快速控制出血

止血是限制受伤的器官或组织失血的过程。 海绵，柔性纱布和颗粒形式的壳聚糖（Cs）已被广泛用作局部止血剂。 一旦与血液接触，Cs的阳离子胺基就会与红细胞的阴离子膜相互作用，并帮助Cs密封出血部位。 纱布形式的Cs不依赖于凝血级联来控制止血。 由于其粘膜粘附特性，它通过粘附在组织表面上起作用。但是即使使用了Cs，基于Cs的止血剂也需要在受伤部位进行加压以止血，而且一旦从应用部位移开，这也会导致伤害再次出血。为了改善基于Cs的止血剂的止血性能，通常可以添加无机成分，例如硫酸铝钾（PA）（收敛剂/血管收缩剂）和氯化钙（Ca）（凝血活化剂），不仅会提高其止血潜力，而且还会所有止血机制，并有助于快速控制失血。

印度Amrita Vishwa Vidyapeetham大学Rangasamy Jayakumar开发了具有PA和Ca截留的可注射的基于Cs的复合水凝胶。制备的2％Cs-0.25％PA-0.25％Ca复合水凝胶具有细胞和血液相容性。体外机理研究显示了复合水凝胶的止血机理。与市售止血剂相比，复合水凝胶能够在最短的时间内形成稳定的血凝块，并且失血最少。因此，开发的可注射的Cs-PA-Ca复合水凝胶可作用于止血的所有机制，即使不加压也可帮助快速控制出血。这种可注射的Cs-PA-Ca水凝胶可潜在地用于诊所，以在牙科，肝脏，胃肠道和皮肤外科手术期间停止渗血和低压出血情况。其他潜在的应用将包括从血管外科的针孔渗出，肺损伤，心脏的侧面和后方的出血以及骨盆创伤。它也可用于最小限度的手术中，其中凝胶形式比止血剂的片状或纱布形式更有用。

参考文献：Sundaram MN, Mony U, Varma PK and Rangasamy J. Vasoconstrictor and coagulation activator entrapped chitosan based composite hydrogel for rapid bleeding control. Carbohydrate Polymers 2021;258:117634.

12. 四川大学华西医学中心周翔（Advanced Healthcare Materials）：通过基于GO的控释系统的互穿网络水凝胶诱导M2型巨噬细胞分化来修复骨缺损

由创伤和疾病引起的骨缺陷是全世界的主要临床挑战之一。 为了解决这个问题，近年来，基于生物材料的组织工程已经成为修复骨缺损的一种有前途的方法。为此目的，传统的生物材料设计主要着眼于加速牙本质的成骨分化。 然而，众所周知，生物材料植入物在植入后开始与宿主组织发生相互作用，对宿主免疫反应产生深远影响，进而可能影响愈合和修复过程。 因此，最近的方法已经认识到这种生物材料免疫系统相互作用对于影响材料介导的组织再生至关重要。

四川大学华西医学中心周翔利用氧化石墨烯（GO）-羧甲基壳聚糖（CMC）/聚乙二醇二丙烯酸酯（PEGDA）开发了互穿网络水凝胶，其中两个生物活性分子白介素4（IL-4）和骨形态发生蛋白2（ BMP-2）以受控方式加载和释放，以诱导巨噬细胞分化为M2型并增强骨骼形成。这两个因素最初都被GO负载，然后被嵌入CMC / PEGDA水凝胶以持续释放。结果表明，水凝胶显示出增强的机械刚度，强度和稳定性。装有IL-4和BMP-2的水凝胶在体外可显着促进巨噬细胞M2型分化和骨髓间充质干细胞成骨分化。此外，体内研究表明，在植入后8周，植入这种水凝胶可显着减少局部炎症，同时增强骨骼再生。

参考文献：Zou M, Sun J and Xiang Z. Induction of M2-Type Macrophage Differentiation for Bone Defect Repair via an Interpenetration Network Hydrogel with a GO-Based Controlled Release System. Adv Healthc Mater 2021:e2001502.

13. 四川大学冉蓉（Carbohydrate Polymers）：羟乙基纤维素固相氧化还原法制备纳米银用于抗菌应变传感器水凝胶

随着人类社会的进步与发展，研究人员对健康问题和智能生活产生了浓厚的兴趣。此外，在柔性可穿戴设备领域，抗菌和生物相容性至关重要，可以避免炎症和伤口感染。银，一种过渡金属，具有广谱抗菌性能，导电性极佳，可用于生物材料，抗菌材料，可穿戴设备和水净化等。银纳米颗粒和银离子均具有抗菌作用。而且银纳米粒子具有较小的粒径和较高的比表面积，并且较高的表面能原子可以提高纳米银吸附细菌，病毒和有机物的能力。银纳米颗粒可以显着改变细菌的正常生理功能，并导致细菌死亡。此外，银离子还可以破坏酶的活性，使无能力的细胞分裂和增殖。尽管银由于其优异的抗菌和导电性能而成为制备导电抗菌水凝胶的最佳选择，但银纳米粒子在水凝胶的制备过程中容易团聚并迅速氧化，从而限制了其应用。因此，银/聚合物纳米复合材料是一种替代的新策略

四川大学冉蓉提出了一种新颖，绿色和简单的策略，用于制备银纳米颗粒并将其复合到用于抗菌应变传感器的水凝胶系统中。通过对羟乙基纤维素进行固态还原来制备银纳米颗粒，并将其复合到化学交联的水凝胶中，作为一种抗菌，柔性应变传感器。由于银纳米颗粒的高表面能可以猝灭自由基，因此设计了三种引发剂来合成水凝胶：过硫酸铵（APS），2,2'-偶氮双（2-甲基丙腈）（AIBN）和2,2'-偶氮二(2-甲基丙基咪)二盐酸盐（AIBA），结果表明银纳米颗粒复合水凝胶只能由AIBN成功制造和触发。由于羟乙基纤维素的动态交联点，复合水凝胶的机械性能（在704.33％应变时为0.12 MPa）得到了显着改善。最后，该复合水凝胶被应用于抗菌应变传感器领域，其最高表观因子（GF）达到4.07。这种新材料可用于抗菌和应变传感领域，并且显示了一种设计具有各种功能的复合水凝胶的简单方法。

参考文献：Wang X, Wang Z, Wang X, Shi L and Ran R. Preparation of silver nanoparticles by solid-state redox route from hydroxyethyl cellulose for antibacterial strain sensor hydrogel. Carbohydrate Polymers 2021;257:117665.

14. 韩国高丽大学SehyunShin（Biosensors and Bioelectronics）：利用微流孔上的DNA水凝胶形成快速诊断SARS-CoV-2

2019年冠状病毒疾病（COVID-19）大流行，由于症状与普通流感相似，包括发烧，咳嗽和喉咙痛，大多数感冒患者被视为COVID-19携带者，故需要进行分子精确病毒检测，但是这非常昂贵需要在机场和公共卫生中心。大规模和及时的测试，使得有效地预防和控制传染病。此外，需要一种高度精确且经济的病毒诊断测试，该测试可以轻松地在发展中国家用于应对传染性病毒疾病而不会造成经济负担。

韩国高丽大学SehyunShin提出了一种创新的方法，可以使用等温扩增包含多个微流孔的网格上的核酸来检测严重急性呼吸系统综合症冠状病毒2（SARS-CoV-2）。病原菌DNA与固定化探针杂交后，通过滚环放大形成DNA水凝胶，从而堵塞毛孔，防止液体流动。再优化了几个因素（包括孔径，筛孔位置和精密微流体）之后，孵育15分钟后，SARS-CoV-2的检出限（LOD）为0.7 aM。这些结果表明，通过远程即时医疗点检测，以中等大小的目标病原体LOD可以快速，轻松，有效地进行检测，而无需任何复杂的设备。由于操作原理简单，即使没有电，当前系统也可以在任何地方或即时医疗点上运行。

参考文献：Kim H-s, Abbas N and Shin S. A rapid diagnosis of SARS-CoV-2 using DNA hydrogel formation on microfluidic pores. Biosensors and Bioelectronics 2021;177:113005.

15. 上海交通大学钱志刚和夏小霞（Biomacromolecules）：可控的原纤维化增强能基因工程的类橡胶蛋白水凝胶

基因工程改造的蛋白质水凝胶通常是通过可溶性蛋白质聚合物的物理或化学交联形成的，以形成模仿天然组织的细胞外基质的亲水性三维网络。这些基于蛋白质聚合物的水凝胶具有许多独特的功能和优点。首先，蛋白质聚合物通常在体内具有生物相容性且可完全生物降解，这对于许多生物医学需求而言至关重要。其次，重组DNA技术允许对重组蛋白进行工程改造，并对其序列，分子结构，链长和单分散性进行精确控制。 第三，可以在蛋白质水平上建立其特定应用所需的按需水凝胶特性。 因此，重组蛋白质水凝胶已成为各种生物医学应用中最有希望的软材料类别之一。同时橡胶状蛋白质水凝胶由于其非凡的可拉伸性和高弹性而引起了越来越多的关注。

上海交通大学钱志刚和夏小霞提出了一种纤维化策略，用光交联的类树脂块和可纤维化的丝状块来增强工程蛋白共聚物的水凝胶。首先，将具有更高比例的真丝与弹性蛋白嵌段的设计共聚物通过光化学交联成具有增强机械性能的橡胶状水凝胶。增大的丝与弹性树脂的比率还使得能够以时间依赖性方式将所得共聚物自组装成原纤维。这允许共聚物溶液在超分子水平上可控的原纤化，用于随后的光交联成增强的水凝胶。或者，可以通过诱导组成性蛋白链的原纤维化在材料水平上增强所制备的化学交联的水凝胶。最后，展示了增强这些水凝胶以用作压阻传感器以扩大压力检测范围的优势。该策略可能会提供引人入胜的机会，以生产出可广泛应用的坚固的橡胶状生物材料。

参考文献：Huang S-C, Fan R-X, Tian K-K, Xia X-X and Qian Z-G. Controllable Fibrillization Reinforces Genetically Engineered Rubberlike Protein Hydrogels. Biomacromolecules 2021.

16. 美国北卡罗来纳大学Jeffrey E. Dick（Biosensors and Bioelectronics）：氧化酶负载的水凝胶，用于多功能电位代谢物传感

糖尿病是一种导致低血糖或高血糖的代谢疾病，并且是世界上主要的死亡原因之一。为了可靠地监测糖尿病患者的病情，需要对血液中的葡萄糖进行连续监测。目前，使用了商用显示器，但由于生物污垢会导致传感器性能随时间下降，因此每5-7天必须更换一次。在目前存在的葡萄糖监测系统中，大多数是电化学的，因为电化学便宜，便携式，快速，对非科学家而言操作简单，具有高灵敏度和选择性，并且不需要复杂的仪器。而酶作为生物识别元件是有利的，因为它们是特异性的，在生物学相关条件下稳定，可重复使用，获得相对便宜，并且有数千种选择。

美国北卡罗来纳大学Jeffrey E. Dick提出了一种对电极尺寸相对不敏感的电化学技术开路电势，作为监测目标代谢物的安培和伏安技术的可靠替代品。通过在电极表面施加足以将水合氢还原为氢气的电势，壳聚糖溶液的pH在电极表面附近开始局部升高。一旦它超过了胺基的pKa，它们就会开始去质子化，壳聚糖电聚合并沉积在电极表面。当在酶的存在下沉积时，壳聚糖将GOx包裹在电极表面附近，而没有化学变化。最后，在水凝胶上添加一层Nafion，以防止酶泄漏或水凝胶分离，并减少干扰物的影响。这为电位计传感器在各种代谢物和应用中的普遍使用奠定了基础。

参考文献：Walker NL and Dick JE. Oxidase-Loaded Hydrogels for Versatile Potentiometric Metabolite Sensing. Biosensors and Bioelectronics 2021:112997.

17. 韩国庆北国立大学Soo-Young Park（ACS Sensors）：用于金属离子传感器的聚（丙烯酸）水凝胶微球

钙是人体中最丰富的矿物质之一，其中大部分（约99％）存储在骨骼和牙齿中。血液和生物流体中仅存在少量钙。除增强骨骼和牙齿外，钙在某些生物学功能（如肌肉收缩，血管控制，神经递质释放，激素分泌和血液凝结）中也是必不可少的。方便的无创钙测试可用于检测疾病，例如骨骼，心脏，神经，肾脏和其他器官的损坏，并减少日常采集血液样本的负担。聚丙烯酸（PAA）是弱聚电解质水凝胶之一，由于二价（例如Ca ²⁺）离子与羧基之间的相互作用，它可以应用于智能传感器。两个羧基可以产生由二价Ca ²⁺介导的桥连结构，因此溶胀的聚丙烯酸（PAA）水凝胶可以被Ca ²⁺收缩。PAA水凝胶的收缩程度可以指示水溶液中Ca ²⁺的量。

韩国庆北国立大学Soo-Young Park使用位于聚二甲基硅氧烷（PDMS）芯片中的PAA水凝胶液滴制造了钙传感器。PDMS芯片设计用于通过出口冲洗液滴存储室内的水溶液。具有相同化学成分的均匀大小的PAA交联液滴（X液滴）通过丙烯酸（AA）单体和N，N'-亚甲基双丙烯酰胺（MBA）的交联剂，通过微流体方法通过原位UV聚合生产。所制造的X液滴在PDMS室中用KOH进行功能化，并通过连续动态测量X液滴在25℃下流动时的尺寸来用作水溶液中钙离子浓度的指标。恒定的流量。PAA _KOH X液滴的尺寸减小速度和饱和尺寸已成功用于同时测量Ca ²⁺和Mg ²⁺在人的血清和唾液中。因此，PDMS芯片中的这些方便且具有成本效益的PAA X-droplets可以应用于钙传感器，从而可以解决Mg ²⁺对人类生物流体的干扰问题。

参考文献：Tan H and Park S-Y. Poly(acrylic acid) Hydrogel Microspheres for a Metal-Ion Sensor. ACS Sensors 2021.

18. 韩国忠南国立大学Won Ho Park（Acta Biomaterialia）：贻贝启发的聚（γ-谷氨酸）/纳米硅酸盐复合水凝胶，具有增强的机械性能，组织粘合性能和皮肤组织再生

贻贝能附着在天然或人造表面上，例如岩石，木结构，金属，混凝土，海洋生物，以及在盐分条件下潮湿且不规则的表面。3,4-二羟基苯基-L-丙氨酸（DOPA），一种儿茶酚酸，在实现贻贝的显着附着力方面起着重要作用。含儿茶酚的材料在体内表现出优异的粘附性能。最近，已经使用儿茶酚改性的水凝胶进行了各种研究。然而，尽管具有优异的表面粘合性能，但是由于粘合剂的低机械强度而导致水凝胶基粘合剂的内聚破坏，这限制了粘合强度。

韩国忠南国立大学Won Ho Park通过儿茶酚功能化纳米复合水凝胶与生物活性纳米硅酸盐(Laponite, LP)的二次交联可调节内聚强度来提高其粘附性能。纳米复合水凝胶由天然阴离子聚γ-谷氨酸(γ-PGA)组成，γ-PGA被儿茶酚部分功能化，并与圆盘结构的LP结合。采用辣根过氧化物酶(HRP)和过氧化氢(H₂O₂)作用下儿茶酚酶化学交联，γ-PGA -儿茶酚偶联物与LP物理交联的方法制备了双交联水凝胶。含有邻苯二酚的PGADA/LP纳米复合水凝胶对各组织层具有较强的粘附性和良好的止血性能。这些PGADA/LP纳米复合水凝胶具有潜在的应用前景，可用于注射性组织工程水凝胶、组织粘合剂和止血材料。

参考文献：Kim MH, Lee J, Lee JN, Lee H and Park WH. Mussel-inspired poly(γ-glutamic acid)/nanosilicate composite hydrogels with enhanced mechanical properties, tissue adhesive properties, and skin tissue regeneration. Acta Biomaterialia 2021.

19. 郑州轻工业大学刘春森（Journal of Colloid and Interface Science）：核壳鸟苷硼酸水凝胶的自愈机理和生化电化学界面性质

具有自我修复能力的智能凝胶材料正获得越来越多的研究兴趣，并在改善设备的使用寿命和安全性方面具有广阔的前景。通过在分子设计中采用可逆的物理和化学相互作用，已经获得了许多超分子和聚合物自修复凝胶。但是，大多数报道只关注于自我修复现象的描述，缺乏理论机制和实际应用研究。深入了解可自我修复的凝胶的结构与特性之间的关系，并发现其他应用是非常理想的，但具有挑战性的研究目标。

郑州轻工业大学刘春森提出了一个本构“原纤维重组”模型，以揭示一系列核壳结构鸟嘌呤-硼酸盐（GB）水凝胶的自愈机制，并强调了超分子聚合物尺度上的原纤维间相互作用驱动GB水凝胶的自愈过程。结构电化学传感性能研究表明，具有相对强生物分子亲和力的GB水凝胶纳米纤维，显示出对肿瘤标志物甲胎蛋白（AFP）传感的高响应敏感性和低检测限（0.076 pg mL^-1）。具有优异电导率和氧化还原活性的鸟苷/二茂铁硼酸（GB-Fc）水凝胶纳米纤维显示出最宽的AFP线性检测范围（0.0005–100 ng mL ^-1）。GB水凝胶的结构性质相关性为先进的自愈材料和电化学生物传感器的未来设计提供了有用的见识。

参考文献：Wang H, Xie X-Q, Peng Y, Li J and Liu C-S. Self-healing mechanism and bioelectrochemical interface properties of core-shell guanosine-borate hydrogels. Journal of Colloid and Interface Science 2021;590:103-113.

20. 美国西北大学Samuel I. Stupp（Small）：具有分层结构的超分子聚合物水凝胶的3D打印

纳米级生物启发的水凝胶在能量和医学领域都引起了广泛的关注。从聚电解质和电极，用于能量转换和存储到药物递送载体和细胞支架用于再生医学，实现所期望的纳米结构形态并取向为水凝胶材料的最佳性能的关键。尤其是，由超分子聚合物组成的水凝胶可根据分子构件的自下而上组装，实现复杂的设计和整体性能的可调性。编程单体驱动器之间的吸引力和排斥力的相互作用自组装成纳米级的定义与形状特定表面化学。直接墨水书写（DIW）是一种基于挤出的3D打印技术，已被证明是一种用于对表面进行构图和构建复杂3D结构的有用处理工具。

美国西北大学Samuel I. Stupp报道了一种用于从水性超分子聚合物油墨中进行离子交联的液晶水凝胶的3D打印的方法。结合实验技术和分子动力学模拟发现pH和盐浓度控制着自组装结构之间的分子间相互作用，其中超分子聚合物上的电荷密度较低，而从电解质中筛选出的电荷较高，因此油墨的粘度较高。当使用较小的喷嘴直径和快速的打印速度时，高粘度油墨中组件之间增强的层次结构相互作用提高了可印刷性，并最终导致了挤出的宏观丝中更大的纳米级排列。事实证明，这种方法的使用可产生具有各向异性离子和电子电荷传输的材料，以及由于超分子自组装和增材制造的协同作用而触发细胞宏观排列的支架。

参考文献：Sather, N. A., Sai, H., Sasselli, I. R., Sato, K., Ji, W., Synatschke, C. V., Zambrotta, R. T., Edelbrock, J. F., Kohlmeyer, R. R., Hardin, J. O., Berrigan, J. D., Durstock, M. F., Mirau, P., Stupp, S. I., 3D Printing of Supramolecular Polymer Hydrogels with Hierarchical Structure. Small 2021, 2005743.

本文由春国供稿。

本内容为作者独立观点，不代表材料人网立场。

未经允许不得转载，授权事宜请联系kefu@cailiaoren.com。

欢迎大家到材料人宣传科技成果并对文献进行深入解读，投稿邮箱: tougao@cailiaoren.com.

投稿以及内容合作可加编辑微信：cailiaorenVIP。