1、水凝膠表面快速實(shí)現(xiàn)微結(jié)構(gòu)按需生長(zhǎng)

北海道大學(xué)龔劍萍教授和Tasuku Nakajima教授（共同通訊作者）等人基于雙網(wǎng)絡(luò)水凝膠的力觸發(fā)聚合機(jī)制提出了一種機(jī)械力壓印的（force stamp）方法，可在水凝膠表面快速實(shí)現(xiàn)微結(jié)構(gòu)按需生長(zhǎng)。研究首先發(fā)現(xiàn)，在玻璃模板上制備DN水凝膠時(shí)，由于陰離子型的第一網(wǎng)絡(luò)與帶負(fù)電的玻璃板之間存在電荷排斥，因此陰離子第一網(wǎng)絡(luò)常常被幾微米厚的中性第二網(wǎng)絡(luò)層覆蓋，從而使水凝膠表面不具備雙網(wǎng)絡(luò)效應(yīng)。為了防止雙電層的形成，研究者在第二網(wǎng)絡(luò)的合成時(shí)使用疏水模板并施加適當(dāng)壓力，由此可在水凝膠表面構(gòu)筑雙網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。借助該方法，研究可在幾秒內(nèi)根據(jù)功能需求對(duì)水凝膠表面的物理形態(tài)及化學(xué)性質(zhì)進(jìn)行快速、有效的可控調(diào)節(jié)。不僅如此，研究還驗(yàn)證了經(jīng)過此方法工程化的水凝膠表面可用于細(xì)胞取向生長(zhǎng)和水滴的定向運(yùn)輸。研究認(rèn)為這種力觸發(fā)化學(xué)改造水凝膠表面的策略，可為水凝膠在各個(gè)領(lǐng)域的應(yīng)用發(fā)展提供新的思路。該研究論文第一作者為穆齊鋒 (Qifeng Mu)，文章以題為“Force-triggered rapid microstructure growth on hydrogel surface for on-demand functions”發(fā)布在國際著名期刊Nature Communications上。

2、高強(qiáng)度抗撕裂導(dǎo)電水凝膠

中國科學(xué)院寧波材料技術(shù)與工程研究所智能高分子材料團(tuán)隊(duì)致力于功能與智能高分子水凝膠的研究。近日，該團(tuán)隊(duì)研究員陳濤等與寧波大學(xué)副教授王文欽合作，基于Hofmeister效應(yīng)，利用溶劑置換的方法制備了高強(qiáng)度抗撕裂導(dǎo)電水凝膠（BRCH）和以此構(gòu)建的新型摩擦納米發(fā)電機(jī)（BRCH-TENG），有效增強(qiáng)了水凝膠的抗外力破壞能力，從根本上延長(zhǎng)了H-TENG的安全使用壽命。該工作通過溶劑置換將有機(jī)凝膠中的二甲亞砜溶劑置換為電解質(zhì)溶液，制備得到了高力學(xué)強(qiáng)度抗撕裂導(dǎo)電水凝膠。在溶劑置換過程中，隨著電解質(zhì)溶液的加入，淀粉高分子網(wǎng)絡(luò)在Hofmeister效應(yīng)下發(fā)生纏繞，形成物理交聯(lián)的空間網(wǎng)絡(luò)，使水凝膠的力學(xué)性能得到增強(qiáng)。另一方面，通過引入電解質(zhì)溶液，大量自由離子進(jìn)入水凝膠網(wǎng)絡(luò)中，顯著提高了BRCH的導(dǎo)電性。BRCH具有優(yōu)異的力學(xué)性能，其最大壓縮應(yīng)力達(dá)到5.6 MPa，斷裂能達(dá)到7.45 kJ/m2，抗穿刺應(yīng)力達(dá)到15 MPa，顯著高于傳統(tǒng)水凝膠電極。利用該水凝膠構(gòu)建的BRCH-TENG具有極佳的力學(xué)可靠性，在遭受錘擊等外力沖擊后依然能夠穩(wěn)定地輸出能量，實(shí)現(xiàn)了BRCH-TENG在高沖擊環(huán)境下的穩(wěn)定工作，為改善H-TENG的環(huán)境適應(yīng)性、從根本上延長(zhǎng)其物理使用壽命提供了可行的新思路和新方法。同時(shí)，該BRCH-TENG在步幅識(shí)別、隱秘通訊等領(lǐng)域都展現(xiàn)了良好的應(yīng)用前景。該工作以Breakage-resistant Hydrogel Electrode Enables Ultrahigh Mechanical Reliability for Triboelectric Nanogenerators為題發(fā)表在Chemical Engineering Journal上。

3、可注射醫(yī)用膠

意外事故或手術(shù)過程中發(fā)生的創(chuàng)傷或出血，需要及時(shí)進(jìn)行止血和傷口閉合，以避免失血或細(xì)菌感染等并發(fā)癥，并需要促進(jìn)傷口愈合，“無縫合”傷口封閉技術(shù)不僅能避免組織的二次損傷，更適合多種組織的應(yīng)用。可注射粘附性水凝膠是實(shí)現(xiàn)“無縫合”傷口封閉的關(guān)鍵，目前的技術(shù)難點(diǎn)在于體內(nèi)液體環(huán)境中，實(shí)現(xiàn)快速粘附和及時(shí)封閉損傷組織的同時(shí)，也要保持體積穩(wěn)定，避免在受限空間使用時(shí)對(duì)周圍組織造成壓迫損傷。脊髓組織受到壓迫容易造成神經(jīng)的損傷，嚴(yán)重時(shí)會(huì)引起截癱。中國科學(xué)院深圳先進(jìn)技術(shù)研究院生物醫(yī)藥與技術(shù)研究所研究員潘浩波團(tuán)隊(duì)和研究員趙曉麗團(tuán)隊(duì)，聯(lián)合香港大學(xué)深圳醫(yī)院等多家單位通過材料設(shè)計(jì)，結(jié)合“升溫收縮”納米膠束和“粘附性小分子”模塊，開發(fā)了兼具快速粘附和抗吸水溶脹的“穩(wěn)態(tài)”可注射粘附性水凝膠（RAAS hydrogel），能夠快速粘附和封閉損傷組織，實(shí)現(xiàn)包括心臟出血等多種出血模型的有效止血。同時(shí)，在脊髓腔內(nèi)使用時(shí)，能夠封閉硬脊膜損傷，有效避免了親水性醫(yī)用膠吸水膨脹壓迫損傷脊髓組織的風(fēng)險(xiǎn)，表現(xiàn)出在脊柱手術(shù)中的潛在應(yīng)用價(jià)值。 綜上所述，該水凝膠的研究在降低材料溶脹對(duì)周圍組織壓迫損傷風(fēng)險(xiǎn)方面具有重要意義。此外，該凝膠體系的主要成分屬于被批準(zhǔn)臨床使用的材料，降解時(shí)間可控，具有較好的臨床應(yīng)用前景。相關(guān)研究成果以An Injectable Rapid-Adhesion and Anti-Swelling Adhesive Hydrogel for Hemostasis and Wound Sealing為題發(fā)表在Advanced Functional Materials上。

4、具有免疫調(diào)控功能的β-葡聚糖-可得然多糖作為基底材料的復(fù)合水凝膠

據(jù)科學(xué)網(wǎng)報(bào)道，廣東省科學(xué)院生物與醫(yī)學(xué)工程研究所生物醫(yī)學(xué)材料研究室針對(duì)當(dāng)前臨床上修復(fù)用皮膚敷料功能不全等問題，構(gòu)建了一種制備簡(jiǎn)易、成本較低的多功能天然水凝膠敷料。相關(guān)研究近日發(fā)表于Carbohydrate Polymers。周宗寶博士、肖將尉博士為該論文共同第一作者，高博韜博士為通訊作者，廣東省科學(xué)院生物與醫(yī)學(xué)工程研究所為第一且唯一通訊單位。在本項(xiàng)研究工作中，研究人員選擇了一種具有免疫調(diào)控功能的β-葡聚糖-可得然多糖作為基底材料，獨(dú)特地采用了退火技術(shù)將天然多酚-單寧酸負(fù)載到可得然多糖的三股螺旋結(jié)構(gòu)中，以此制造出了具備優(yōu)良的物理化學(xué)性能的復(fù)合水凝膠。此外，該水凝膠表現(xiàn)出了一定的溫敏特性，能夠緩慢地釋放單寧酸，并持續(xù)發(fā)揮出止血、抗氧化、抗炎以及抗菌等多重功效。進(jìn)一步的動(dòng)物實(shí)驗(yàn)研究結(jié)果顯示，該天然水凝膠能夠加速缺損皮膚的愈合。該研究利用工程技術(shù)手段，將兩種天然物質(zhì)結(jié)合構(gòu)建出了具有多重功能的水凝膠，水凝膠的制造過程可重復(fù)性高，物理化學(xué)性能可控，生理功能多樣，為進(jìn)一步開發(fā)新型促愈合創(chuàng)傷敷料提供了新思路。

5、一種基于動(dòng)態(tài)肟鍵和疏水相互作用的雙動(dòng)態(tài)交聯(lián)水凝膠

據(jù)中山大學(xué)官網(wǎng)報(bào)道，近日，陳永明團(tuán)隊(duì)進(jìn)一步采用葡萄多糖和F127建出一種基于動(dòng)態(tài)肟鍵和疏水相互作用的雙動(dòng)態(tài)交聯(lián)水凝膠，作為3D打印自固化水凝膠墨水。這種水凝膠墨水具有良好的溫度敏感性，在低溫下僅以輕度動(dòng)態(tài)肟鍵交聯(lián)，能夠直接擠出成型；在被打印到生理溫度環(huán)境時(shí)，凝膠組分形成疏水相互作用二次交聯(lián)，從而增大凝膠強(qiáng)度和提高打印支架的穩(wěn)定性。解決了當(dāng)前生物3D打印水凝膠墨水往往需要紫外光交聯(lián)、二次離子交聯(lián)等輔助手段，及其面臨小分子試劑殘存等問題。雙動(dòng)態(tài)交聯(lián)作用使水凝膠具有良好的自愈合能力，有助于在打印過程中結(jié)構(gòu)間的融合。該水凝膠具有優(yōu)異的力學(xué)韌性，如拉伸、壓縮和恢復(fù)性能。經(jīng)絲素蛋白包被后，該載體具有良好的細(xì)胞相容性并促進(jìn)細(xì)胞增殖，包括HaCaT細(xì)胞、NHDF和HUVEC等皮膚細(xì)胞在整個(gè)結(jié)構(gòu)中呈現(xiàn)鋪展形態(tài)。該3D打印支架可作為皮膚再生或其他組織細(xì)胞治療的支架材料。相關(guān)論文以題為“Direct 3D printing of thermosensitive AOP127-oxidized dextran hydrogel with dual dynamic crosslinking and high toughness” 發(fā)表在Carbohydrate Polymers（2022, 291, 119616）。

6、純無機(jī)仿生潤(rùn)滑水凝膠

中國科學(xué)院蘭州化學(xué)物理研究所徐路研究員（通訊作者）團(tuán)隊(duì)首次報(bào)道了一種僅由氧化石墨烯和水組成的雙響應(yīng)型機(jī)械與摩擦學(xué)自適應(yīng)水凝膠，該純無機(jī)水凝膠能夠基于pH或溫度誘導(dǎo)的內(nèi)部微觀結(jié)構(gòu)重構(gòu)，使自身機(jī)械強(qiáng)度或摩擦系數(shù)分別急劇或緩慢變化10倍與5倍以上。同時(shí)改變外部pH和溫度則能夠誘發(fā)凝膠的機(jī)械與摩擦學(xué)性能發(fā)生更加顯著的變化。該行為能夠高仿真模擬肌肉或海參在感受外部刺激或生物信號(hào)下的力學(xué)或摩擦學(xué)性能變化。該水凝膠在低pH值和室溫下呈現(xiàn)優(yōu)異的潤(rùn)滑抗磨性能，并可與由傳統(tǒng)有機(jī)潤(rùn)滑基礎(chǔ)油或添加劑所形成的凝膠相比肩。結(jié)合所使用氧化石墨烯凝膠因子的低毒性和生物降解性，以及該水凝膠易于制備的優(yōu)點(diǎn)。研究者認(rèn)為這種新型自適應(yīng)水凝膠不僅能夠用于仿生領(lǐng)域，還可作為智能與綠色超分子凝膠潤(rùn)滑劑用于精確調(diào)諧材料表面的摩擦學(xué)性能，繼而在智能器件（如自清潔表面和微流體技術(shù)）的構(gòu)筑方面表現(xiàn)出潛在應(yīng)用價(jià)值。相關(guān)研究成果以“Dual-Driven Mechanically and Tribologically Adaptive Hydrogels Solely Constituted of Graphene Oxide and Water”為題發(fā)表在《Nano Letters》上。論文的第一作者為蘭州化學(xué)物理研究所助理工程師胡璐琳，通訊作者為徐路研究員和山東大學(xué)郝京誠教授。

7、基于二維材料的光學(xué)各向異性水凝膠

清華大學(xué)深圳國際研究生院劉碧錄副教授團(tuán)隊(duì)利用磁場(chǎng)控制二維鈷摻雜氧化鈦液晶的取向，制備出一種具有大雙折射值的光學(xué)各向異性水凝膠。這種磁場(chǎng)控制方法具有無損、高度均勻等優(yōu)點(diǎn)，可實(shí)現(xiàn)各向異性的精確調(diào)控。同時(shí)，得益于二維結(jié)構(gòu)極大的幾何徑厚比及磁化率各向異性，二維鈷摻雜氧化鈦液晶具有靈敏的磁響應(yīng)，在小磁場(chǎng)下可高度有序排列，從而賦予水凝膠較大的雙折射。相關(guān)研究成果近日以《一種基于二維材料且具有可控干涉色的透射式水凝膠》（A 2D material–based transparent hydrogel with engineerable interference colours）為題發(fā)表在期刊《自然·通訊》上（Nature Communications）。

文章來源：材料人