凝膠的案例
【前沿追蹤】光感應交聯劑及水凝膠！調控水凝膠降解、蛋白質釋放方式和速率！
另一個觀察結果是NB-酰胺水凝膠在連續照射后30分鐘內未完全降解，而帶有其他不穩定鍵NB的水凝膠均完全降解。這種不完全降解是酰胺參與Norris II型反應而導致中間體發生位移引起的。作者用羰基清除劑（氨基脲）使NB-酰胺水凝膠進一步完全降解，這種清除劑有助于光裂解。
圖2.小分子和水凝膠的光降解速率。（A）水凝膠主鏈中的NB在365nm光照射下的β消除反應。（B）小分子和水凝膠紫外光（365 nm）照下的一階光降解速率和量子產率。
3、水凝膠的水解
NB不穩定鍵的水解也可使水凝膠在較長時間內降解。為了研究水凝膠對在不同水環境水解的差異，作者將水凝膠浸泡在PBS （pH = 10）中，并在72 h內測量水凝膠體積（圖3）。在此條件下，水凝膠降解導致水凝膠體積增加（Q = V/V0），直到單鏈不再支撐網絡時水凝膠完全降解。NB-酯水凝膠在緩沖液中1小時內便快速溶脹，然后完全降解（圖3）。NB-酯水凝膠水解速率最快，其次是NB-碳酸酯和NB-酰胺。NB-氨基甲酸酯水凝膠沒有明顯水解。NB-酯同時表現出快速的光降解和水解，而NB-酰胺則表現出較慢的光降解速率和較快的水解。NB-碳酸酯和NB-氨基甲酸酯具有與常見的NB不同的降解特性。NB-氨基甲酸酯具有快速光降解速率和極慢速水解速率。NB在生理條件下仍然水解，將水凝膠浸泡在PBS（pH = 7.4，含有1％青霉素/鏈霉素和0.2％真菌區）中，NB-酯在21天之內降解，NB-碳酸水凝膠在49天之內降解，NB-酰胺和NB-氨基甲酸酯未發生明顯變化。這對設計光降解水凝膠非常重要。
圖3. 水凝膠的水解。（A）NB基團的可裂解鍵（X）決定了水凝膠的水解速率和形成的產物，Z1和Z2分別代表形成的產物。（B）水凝膠在pH ＝ 10的PBS的體積變化。
展開 聚集誘導發光和凝膠的強強聯合——唐本忠院士團隊和北理工黎朝《Adv. Mater.》綜述：聚集誘導發光活性凝膠的制備、功能和應用
作為一種具有緊湊相和自由空間的溶脹類材料，凝膠能夠操縱分子內運動。因此，結構獨特和應用前景廣闊的聚集誘導發光（AIE）活性凝膠引起了人們的極大興趣。基于此，香港科技大學唐本忠院士（現為香港中文大學（深圳）理工學院院長）團隊和北京理工大學黎朝系統綜述了AIE活性凝膠的進展（圖1），詳細介紹了制備策略，總結了凝膠的功能，以及構-效關系，作者還討論了凝膠在不同領域的應用，及目前面臨的挑戰和解決方法，展望了該領域的前景，進而促進新材料的研究和發展。該綜述以Aggregation-Induced Emission-Active Gels: Fabrications, Functions, and Applications為題發表在《Advanced Materials》上。北京理工大學黎朝特別副研究員為該綜述的第一作者，唐本忠院士和黎朝為該綜述的共同通訊作者，該綜述在構思和撰寫上也得到了華中科技大學吉曉帆教授和香港科技大學謝會琳的幫助。
圖1. AIE 活性凝膠的綜述思路示意圖。
凝膠是被分散介質充滿的3D網絡。凝膠在自然界中廣泛存在，大多數生物組織以水凝膠的形式存在。盡管高水含量、強變形性、優異的潤滑性、出色的可恢復性和各種刺激響應特性使凝膠對生命支持具有重要意義，但自然界中凝膠的種類十分有限，只以水凝膠居多。受大自然的啟發，人類開發了多種人造凝膠，其范圍也從水凝膠進一步擴展到有機凝膠、氣凝膠和干凝膠。人造凝膠已被應用于許多領域，如農業、環境保護、生物大分子分離、骨科，個人護理、美容業、建筑業、電子工業和食品工業等。
雖然人造凝膠在這些傳統領域得到了廣泛的應用，但它們在光學等高科技領域的應用卻很有限。因此，熒光凝膠作為一種發光材料，在高科技應用領域發揮著關鍵作用。
展開 水凝膠近期突破性成果梳理
1、水凝膠表面快速實現微結構按需生長
北海道大學龔劍萍教授和Tasuku Nakajima教授（共同通訊作者）等人基于雙網絡水凝膠的力觸發聚合機制提出了一種機械力壓印的（force stamp）方法，可在水凝膠表面快速實現微結構按需生長。研究首先發現，在玻璃模板上制備DN水凝膠時，由于陰離子型的第一網絡與帶負電的玻璃板之間存在電荷排斥，因此陰離子第一網絡常常被幾微米厚的中性第二網絡層覆蓋，從而使水凝膠表面不具備雙網絡效應。為了防止雙電層的形成，研究者在第二網絡的合成時使用疏水模板并施加適當壓力，由此可在水凝膠表面構筑雙網絡結構。借助該方法，研究可在幾秒內根據功能需求對水凝膠表面的物理形態及化學性質進行快速、有效的可控調節。不僅如此，研究還驗證了經過此方法工程化的水凝膠表面可用于細胞取向生長和水滴的定向運輸。研究認為這種力觸發化學改造水凝膠表面的策略，可為水凝膠在各個領域的應用發展提供新的思路。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”發布在國際著名期刊Nature Communications上。
2、高強度抗撕裂導電水凝膠
中國科學院寧波材料技術與工程研究所智能高分子材料團隊致力于功能與智能高分子水凝膠的研究。近日，該團隊研究員陳濤等與寧波大學副教授王文欽合作，基于Hofmeister效應，利用溶劑置換的方法制備了高強度抗撕裂導電水凝膠（BRCH）和以此構建的新型摩擦納米發電機（BRCH-TENG），有效增強了水凝膠的抗外力破壞能力，從根本上延長了H-TENG的安全使用壽命。
展開 天津大學劉文廣教授團隊《Nano Today》：中草藥交聯生物大分子水凝膠攜帶rBMSCs@聚兩性離子微凝膠治療心肌梗死
實驗中發現，可注射水凝膠HA-Tyr-PUE具有適宜的凝膠時間以方便注射操作，另外水凝膠能夠清除DPPH自由基和羥基自由基，從而顯示出清除活性氧的能力。心肌梗死后缺氧問題可以通過氧氣釋放系統來解決，H2O2 在HRP的催化下僅產生氧氣和水。
將可注射水凝膠HA-Tyr-PUE作為載體與負載rBMSCs的PCB-PEG微凝膠混合，即HA-Tyr-PUE@rBMSCs@microgels注射到 MI 后的大鼠心肌梗死區，由于該凝膠體系對梗死區微環境的調節和干細胞旁分泌作用，纖維化減少，心室壁厚度增加，新生血管形成能力提高，顯著恢復了心臟功能和心室結構（圖2）。這種裝載維持干性的rBMSCs@microgels和具有ROS清除能力的中草藥交聯生物大分子水凝膠，可以擴展到設計不同的自適應治療載體以促進組織再生和功能恢復。
Fig. 2. Fluorescent images (a) and quantitative analysis (d) of Tunel positive cells at the infarcted area in various groups. Representative immunofluorescent images and quantitative analysis of CD68 (red, b and e) and CD206 (red, c and f) for the characterization of inflammation in vivo.
展開 
仿生纖維水凝膠的設計與應用
圖 5 纖維狀水凝膠的各向異性
（a）各向異性原纖維基質內接觸影響細胞生長，導致細胞排列并促進細胞-細胞接觸的形成；
（b）在凝膠化過程中將水凝膠前體溶液暴露于定向剪切，電場或磁場，實現纖維排列示意圖。
圖 6 纖維水凝膠的結構和性質
（a）水凝膠結構和機械性能之間的關系圖；
（b）對于β-發夾肽水凝膠和分子水凝膠，藍線表示纖維狀水凝膠的G'的預測比例的預測比例關系，綠線表示分子水凝膠的預測比例關系；
（c）纖維水凝膠的運輸性質示意圖；
（d）配體/生長因子的原纖維的生化功能化示意圖。
【小結及展望】
纖維水凝膠是組織工程、再生醫學和3D細胞培養的優秀支架，可以制成類似體內ECM的機械性質和改善的質量傳遞。纖維狀水凝膠可以用生長因子和細胞粘附配體功能化。纖維狀水凝膠的各種構建塊：包括肽、嵌段共聚物和絲狀納米顆粒，實現多種應用。
（1）纖維狀水凝膠的機械性質對細胞生長和表型的影響的大多數研究都集中在彈性模量上，忽略了粘彈性行為。纖維水凝膠尚未探索應力松弛及其對細胞行為的影響。迄今為止，納米結構對應力松弛的影響以及纖維水凝膠的粘彈性，如何影響細胞表型和生長仍然是難以捉摸的。另外，纖維凝膠的非線性應變硬化行為也需要進一步研究。
（2）纖維狀水凝膠膠化機制與性質之間的關系。纖維狀ECM蛋白的粘彈性和力學性質的模擬，分析了結構和材料性質的相關性。類似地，建模方法也可以模擬人造纖維水凝膠的結構-性質關系。
（3）水凝膠具有擴散各向異性。人造纖維水凝膠的各向異性還未被研究，高度纖維排列的膠原縱向擴散系數高于橫向上的系數。這種作用可能影響藥物和納米藥物向體內特定位置的遞送。
展開 高孔隙率GelMA水凝膠（EFL-GM-PR系列）
圖2 EFL-GM-PR系列多孔GleMA水凝膠可控微觀孔道結構的激光共聚焦照片
02 細胞培養
EFL-GM-PR系列多孔水凝膠在細胞培養方面具有優異的性能，通過與GelMA無孔水凝膠對比可以明顯看出多孔GelMA水凝膠的優勢。兩種配方的多孔GelMA水凝膠其內部細胞增殖速率均高于GelMA無孔水凝膠，在培養第7天時出現了數倍的細胞數量差。（圖3）
圖3 EFL-GM-PR系列多孔GleMA水凝膠內部細胞增殖熒光照片及定量分析
在凝膠表面進行細胞培養時，多孔GelMA同樣具有優秀表現，貫通的孔道結構使接種在表面的細胞呈現向凝膠內部遷移的趨勢，第9天細胞遷移深度可達約540μm。（圖4）
圖4 EFL-GM-PR系列多孔GleMA水凝膠表面細胞培養熒光照片（紅色為熒光GelMA）
03 水凝膠培養過程穩定性
多孔結構水凝膠其比表面積遠大于普通無孔水凝膠，因此，多孔水凝膠在相同基體凝膠強度條件通常比無孔水凝膠降解更快。為了支持長時間的細胞培養，EFL團隊通過優化配方，在實現優異細胞增殖性能的同時賦予多孔水凝膠良好的穩定性。通過與普通GelMA無孔水凝膠對比，EFL-GM-PR系列多孔水凝膠在細胞增殖及凝膠穩定性方面均有更好的表現。（圖5）
圖5 EFL-GM-PR系列多孔GleMA水凝膠培養過程穩定性測試數碼照片及細胞熒光照片
文章來源：EngineeringForLife
展開 深圳大學徐堅教授課題組在提高水凝膠保水性領域取得新進展
水凝膠因其優異的柔性、親水性和生物相容性等特點在組織工程、傷口敷料、藥物輸送、柔性電子、智能器件、能源等領域應用廣泛。然而，由于水凝膠中含有大量水分，水分不可避免地蒸發，而導致水凝膠在空氣中逐漸脫水，造成水凝膠柔性、彈性等功能逐漸喪失，這已嚴重限制了水凝膠的實際應用。因此，提高水凝膠的保水性對改善水凝膠的穩定性、延長水凝膠的使用壽命、擴展水凝膠的實際應用具有重要意義。
目前，提高水凝膠保水性的方法主要包括在水凝膠體系中引入高水合性鹽或/和醇類、用PDMS或Ecoflex等彈性體封裝水凝膠形成彈性體-水凝膠-彈性體三明治結構，以及在水凝膠表面構筑仿皮膚雙層疏水涂層的方法。針對在水凝膠表面構筑疏水涂層以抑制水凝膠脫水失效的方法，目前依然充滿挑戰，主要原因包括：第一，選擇性地只改性水凝膠暴露在外的表面而不改變水凝膠內部結構和化學組成非常困難；第二，親水的水凝膠表面與疏水涂層之間形成的界面強度很弱，導致其難以承受外在破壞而不能實際應用。
基于此，他們設計了一種通過化學鍵將疏水涂層鍵接在水凝膠表面的方法，在水凝膠表面構筑了類似皮膚結構的雙層疏水涂層來抑制凝膠內部水分的蒸發，從而提高水凝膠的保水性（圖1）。
展開 小凝膠，大威力！記中科院蘇州納米所在納米水凝膠抗污染油水分離膜材料取得進展
圖1兩親離子性納米水凝膠接枝改性PVDF多孔膜（ZNG-g-PVDF）示意圖。
近期，為了解決膜分離材料的抗污染問題，中國科學院蘇州納米技術與納米仿生研究所靳健研究員課題組在前期工作的基礎上，設計和制備了一種磺基甜菜堿型兩親離子性納米水凝膠接枝改性的PVDF多孔膜（ZNG-g-PVDF）（如圖1所示）。這一兩親離子性納米水凝膠的尺寸~50nm，這一納米級尺寸有助于納米水凝膠的快速浸潤和吸水，從而賦予了PVDF多孔膜超親水的性質。由于兩親離子性納米水凝膠同時具有水凝膠的高保水性能以及兩親離子性聚電解質的強水合能力，能夠在PVDF多孔膜的表面構筑出牢固的水合層以及近中性的表面。這一超親水的近中性表面賦予了PVDF多孔膜在水下對原油近乎零粘附的效果（如圖2所示）。此外，磺基甜菜堿型兩親離子性納米水凝膠具有優異的抗鹽性以及耐酸堿性能，保證了兩親離子性納米水凝膠接枝改性的PVDF多孔膜在不同種類的鹽溶液中以及寬泛的pH范圍內均能夠保持超親水特性以及水下超低油粘附效果。為了進一步考察這一分離膜材料的抗污染性能，研究人員通過模擬現實的乳化油水，利用這一兩親離子性納米水凝膠接枝改性的PVDF多孔膜來分離含有表面活性劑、蛋白質以及生物有機質（NOM）的油水乳液并監測其多次循環過程中通量的變化情況。實驗結果表明（如圖3所示），這一兩親離子性納米水凝膠接枝改性的PVDF多孔膜具有優異的綜合性抗污染能力，循環過程中通量的恢復率幾乎高達100%。這一工作所使用的親水改性策略相對溫和、簡單，為制備高效油水分離膜材料提供了新的視角。
圖2 ZNG-g-PVDF多孔膜表面浸潤性表征
圖3 ZNG-g-PVDF多孔膜分離不同乳化油水時循環通量變化結果
以上工作發表在《先進功能材料》(Adv. Funct. Mater, 2018,1804121)雜志上。
展開 《綠色化學·綜述》生物分子合成仿生納米復合水凝膠用于止血和傷口愈合
受這些要求的驅使，Danno10在1958年首次報道了由γ射線輻照合成共價交聯的聚乙烯醇（PVA）水凝膠。自成立以來，水凝膠發展迅速，取得了里程碑式的進步。圖1概述了水凝膠概念從1894年到智能納米復合水凝膠配制的最新進展。
圖1從其起源到當前發展的水凝膠時間表的示意圖。
2.納米復合水凝膠的合成
通常通過在納米材料存在下通過各種交聯過程在水性介質中使組成單體交聯以遞送聚合物納米復合水凝膠來合成水凝膠。
2.4.1化學交聯的納米復合水凝膠
納米復合水凝膠是通過使用有機交聯劑對聚合物進行化學交聯而制成的，由于共價鍵合，化學交聯的水凝膠通常是永久性的。因此，化學交聯的納米復合水凝膠表現出很強的機械性能。圖2給出了用于合成納米復合水凝膠的不同化學交聯過程的示意圖。納米復合水凝膠已通過以下化學方法進行了工程改造，例如：
圖2：通過化學方法制備納米復合水凝膠的傳統方法：（A）加成反應，（B）縮合反應，（C）醛交聯，（D）自由基交聯和（E）光聚合。
2.4.1.2納米復合水凝膠工程的物理方法
物理膠凝作用是通過交聯過程來識別的，該交聯過程將聚合物溶液可逆地轉化為凝膠。非共價相互作用，例如范德華相互作用，氫鍵，離子相互作用，結晶，疏水相互作用，靜電相互作用或它們的組合，通過聚合物的物理交聯，將其用于合成納米復合水凝膠。物理交聯的凝膠是可逆的，因此水凝膠具有刺激性，可以通過改變pH，溫度和離子相互作用等物理條件來分解。由于聚合物和納米顆粒之間的非共價相互作用，納米復合水凝膠大多表現出自我修復能力，其中斷裂或割傷可通過在整個表面上重新形成鍵來自動修復。圖3表示通過物理方法制備合成水凝膠的不同常規方法的示意圖。
展開 水凝膠實現可控跳躍
響應型水凝膠在軟濕驅動器、人工肌肉、醫療器械等領域具有廣闊的應用前景。水凝膠驅動器一般由響應型水凝膠制備，具有不對稱構筑結構，在電、熱、光、pH 等刺激作用下，會發生體積或形狀變化。通過對器件結構進行精確設計，可實現簡單的抓取、釋放、行走等動作，但耗時長（一般需要數分鐘至數小時）。與工業中常見的電機驅動、液壓驅動、氣壓驅動相比，如何提高水凝膠驅動器驅動能量轉化效率、提高驅動速度，是水凝膠驅動器領域亟待解決的關鍵問題。
肌肉是典型的柔性生物驅動器，通過收縮和快速伸長而產生強大的爆發力，實現跳躍等動作。受此啟發，中國科學院寧波材料技術與工程研究所研究員付俊團隊發展了一種新策略，利用基底對凝膠形變的約束，積累彈性能，并利用界面不穩定性實現能量的爆發性釋放，驅動水凝膠實現可控跳躍。
研究人員制備了粘土交聯和增強的溫敏雙層水凝膠（圖1a），通過調控材料配比，可調控各層的臨界相容溫度（LCST）（圖1b）。在反復升溫和降溫過程中，雙層凝膠因各層的溶脹/消溶脹性質差異而發生可逆變形、卷曲（圖1c）。在此過程中，因溶脹程度差異而導致凝膠內產生的彈性能得以緩慢釋放。
圖1 （a）雙層水凝膠的結構示意圖，（b）凝膠各層平衡溶脹率隨溫度變化曲線，（c）雙層水凝膠可逆彎曲/伸展圖像
研究發現，納米復合凝膠在多種金屬基底上具有較強的粘附性，與鑄鐵、鋁、不銹鋼、銅基板之間的粘附能可分別達到17.6、12.8、12.8、7.6 J/m2（圖2）。將凝膠粘附在鋁基板上，可承受較大的拉力。在拉伸過程中，隨著凝膠發生形變，內部不斷積累彈性能；當凝膠內積累的彈性能高于界面粘附能時，凝膠瞬間滑脫，并在40ms內回彈（圖3）。
展開 高強韌響應型水凝膠及其在智能器件領域的應用
其中，高分子水凝膠因其含大量水和出色的生物相容性，作為仿生驅動材料得到了特別的青睞。
傳統的水凝膠由于存在網絡結構不均勻、缺乏能量耗散機制等問題，導致機械性能差，從而制約了其實際應用。2000年以來，人們研究開發了大量高強度韌性水凝膠，包括雙網絡水凝膠、滑環水凝膠、納米復合水凝膠、納米顆粒增強水凝膠、膠束交聯水凝膠等。合成關鍵在于利用斷裂“犧牲鍵”來有效耗散能量，進而增強水凝膠機械性能。氫鍵、超分子識別、絡合作用、靜電作用、疏水締合等多種非共價作用均都已被用于制備高強度水凝膠。這種可逆非共價鍵不僅賦予水凝膠可恢復性和自修復特性，更有利于水凝膠的應用。
響應性水凝膠在不同環境條件刺激下，如溫度、pH、光照、磁場、電場、氧化還原、生物分子等，會發生體積或形狀變化。對水凝膠網絡結構進行靈活的化學設計或修飾，可制備多種多重響應型水凝膠。如何將響應性與增強增韌機制結合來制備高強韌響應性水凝膠，使其具備承受反復載荷作用，是水凝膠走向實際應用的關鍵環節。當將不同性質的水凝膠集成到單一器件上，或在水凝膠中構筑精確可控的性質分布，在外場的作用下，器件可發生程序化的形變或者運動。在高強韌響應型水凝膠的重要應用領域中，基于水凝膠的柔性智能器件及其驅動行為研究也是當前的研究熱點。
本專輯總結了近年來在高強韌水凝膠方面的代表性進展，增強增韌機制以及它們在智能器件領域的應用研究。
陳強等系統地論述了基于可逆非共價交聯的雙網絡水凝膠研究進展。其中，非共價作用不僅能賦予水凝膠出色的機械性能，還在水凝膠刺激響應形變方面發揮了關鍵作用。吳子良等利用聚丙烯酸與聚（氮-異丙基丙烯酰胺）之間的氫鍵，制備了高強度韌性的雙網絡水凝膠。通過調節氫鍵作用，實現了形狀記憶。
展開 
導熱硅凝膠的研究與應用進展
3.2 在5G電子設備中的應用
研究人員對新型導熱硅凝膠材料在5G電子設備中應用的實際特性進行分析研究，發現新型導熱硅凝膠材料的使用既可增進熱能的傳導效應，又能實現熱能的傳導。發現與傳統的導熱材料相比，將新型導熱硅凝膠材料使用在電子元件的應用之中，能夠有效地提升信號的傳播效率，也能促進新型導熱硅凝膠材料的高質量應用。
3.2 在動力電池中的應用
動力電池絕大部分都采用鋰離子電芯，具有能量密度高和使用壽命長等優勢，但也存在較大的安全隱患。在電動汽車正常行駛過程中，鋰電池 可能承受的沖擊包括持續振動、大幅溫度變化、雨水浸泡等，而在電池故障及交通意外條件下（如撞擊、墜河），可能承受的沖擊還包括局部短路、過載、強機 械沖擊、水或其他液體浸泡、火災等。因此，在復雜甚至意外環境下維持鋰電池的安全運行，保護電動車內駕乘人員的安全，是各方都追求的目標。若采用導熱阻燃型硅凝膠來封裝動力電池電芯，則能夠大大提升動力電池組的安全性能，導熱硅凝膠能起到防水密封、阻燃密封、散熱以及減震固定的作用。
04
結語
導熱硅凝膠作為一種特殊的熱界面材料被廣泛地應用在各個領域，但目前國內導熱硅凝膠的高端市場基本上被國外熱界面材料公司所占據，國內導熱硅凝膠的技術參差不齊。目前，導熱硅凝膠僅限于有機硅基體與常見的導熱粉體的共混復合，所得到的導熱硅凝膠的綜合性能欠佳，無法應用于高端領域。
展開 水凝膠實現可控跳躍
在拉伸過程中，隨著凝膠發生形變，內部不斷積累彈性能；當凝膠內積累的彈性能高于界面粘附能時，凝膠瞬間滑脫，并在40ms內回彈（圖3）。
圖2 （a-b）納米復合水凝膠從鑄鐵、鋁、不銹鋼、銅基底上90°剝離的單位寬度力-位移曲線，（c）平均粘附能
圖3 納米復合水凝膠在鋁基板上的粘附與拉伸-回彈
研究人員巧妙地將溫度響應行為與界面粘附特性結合，設計制作了具有棘齒結構的金屬導軌，利用凝膠與金屬之間的黏附作用，通過棘齒結構約束凝膠的形變。在升溫過程中，凝膠發生不對稱收縮，產生彎曲傾向；而導軌的棘齒結構阻礙凝膠彎曲變形，凝膠內部彈性能逐漸積累。當彈性能超越界面黏附能，凝膠瞬間脫離導軌，彈性能快速釋放，驅動凝膠跳躍（圖4）。
圖4 溫度驅動水凝膠跳躍
研究表明，基于這一原理，凝膠的跳躍方向由導軌形狀決定，凝膠總是沿著棘齒斜坡斜向上跳。跳躍距離、高度、起跳時間由凝膠的形狀和尺寸決定，尖窄的前足有利于減小流體阻力，提高跳躍距離和高度；寬大的后足則意味著需要較多的彈性能克服較大的凝膠/導軌粘附力，導致起跳晚；薄的凝膠對溫度變化的形變響應快，起跳早。在典型實例中（圖5a），跳躍持續時間910ms，跳躍距離10.6mm，跳躍高度2.4mm。
圖5 不同構型雙層水凝膠的尺寸示意圖和跳躍圖片
該研究突破了傳統響應型水凝膠的驅動速度受水分子在凝膠網絡內擴散速率制約的問題，揭示了一種基于彈性能儲存和爆發性釋放實現水凝膠快速可控驅動的新策略，為高性能柔性驅動器的發展提供了全新的思路和視角。
展開 ：用于心臟組織工程的多肽基導電抗菌凝膠材料
接下來，作者研究了該多肽凝膠的細胞相容性，發現該凝膠能夠較好地支持成纖維細胞，幫助其黏附、擴散與增殖。為了進一步將上述凝膠用于生電細胞培養中，作者希望加入PAni網絡，得到復合導電凝膠（圖2a）。復合凝膠的TEM表明多肽納米纖維與PAni在網絡結構中的共存（圖2b）。PAni的復合并未改變凝膠的機械性能、自修復性質與生物相容性能（圖2d-g），相對的，PAni的復合給凝膠帶來了諸多優勢。該凝膠具有半導體特性，最高電流達到約0.4 μA（圖2c）。引入的帶正電荷的PAni鏈段使其能夠與DNA結合，從而具有作為DNA固定材料的潛力（圖2h）。此外，PAni的抗菌性能使得凝膠能夠抑制細菌生長。
圖2.
PAni-多肽復合凝膠的性能
上述諸多優勢使得該復合凝膠是一種極佳的生電細胞組織培養支架（圖3a）。心臟細胞外基質（ECM）由分層組織的纖維網絡組成，肌內膜纖維為直徑達數十納米至百納米的原纖維網狀結構，圍繞心肌細胞，與細胞骨架蛋白形成相互作用。本設計中的納米纖維凝膠能夠模擬肌內膜纖維。同時，心肌細胞為生電細胞，能夠在電信號下發生自發收縮，干擾電信號以發生各向異性的傳遞。作者希望，PAni的引入能夠改善心肌細胞的電交流。為此，作者將從新生大鼠中提取的心肌細胞接種于復合凝膠中，培養7日后，細胞保持較高活力（圖3b），同時α-肌動蛋白和肌鈣蛋白明顯表達（圖3c）。此外，為研究凝膠中的心肌細胞的細胞功能，作者將其與鈣敏感染料一同孵育，發現凝膠表面細胞表現出自發與同步的收縮行為，同時鈣信號通過水凝膠表面傳播（圖3d-g）。此外，在自然電信號傳播的反方向上施加電刺激后，能夠觀察到電信號的反轉（圖3h-k）。
展開 MIT 趙選賀團隊讓醫療器械長出柔軟耐用的水凝膠皮膚
然后讓水凝膠在這10~100微米的變性層中生長，形成天然的雙網絡水凝膠結構 （圖2）（注：雙網絡堅韌水凝膠由Jianping Gong教授提出，并非本工作原創, Advanced Materials 15,1155,(2003)）。雙網絡水凝膠堅韌有耗散性，同時水凝膠層和醫療儀器間保持了強鏈接，符合水凝膠堅韌粘附的機理 (圖1a Nature Materials 15, 190-196 (2016))。
圖2. 水凝膠皮膚生長機理
該方法可以讓市面上買到的醫療儀器表面直接長出柔軟耐用的水凝膠皮膚，簡單、實用、安全、高效。另外水凝膠皮膚可以在干燥的狀態下儲存，使用前直接潤濕， 不影響效果。
該方法既可以在宏觀尺度的具有復雜形狀的高分子表面上制備水凝膠皮膚，也可以在微觀尺度的具有復雜形狀的高分子表面上制備水凝膠皮膚。如圖3a所示，我們在厘米尺寸的“八角桁架”形硅橡膠上均勻制備了一層水凝膠皮膚。并且，如圖3b所示，我們在具有微米級 “溝槽”的硅橡膠微流控芯片上均勻制備了一層水凝膠皮膚。（通過對水凝膠皮膚進行綠色染料的擴散，可以清楚地看到整個表面被水凝膠皮膚完全覆蓋）
同時，該方法還能夠便捷地對水凝膠皮膚的厚度和粗糙度等進行控制，從而滿足不同的應用需求。我們僅僅通過在“單體水溶液”中添加/不添加微量鏈轉移劑（其它工藝完全一致），就可以得到厚度和粗糙度具有顯著區別的水凝膠皮膚（如圖3c，d）。
圖3. a在厘米尺寸的“Octet truss”形硅橡膠上均勻制備的水凝膠皮膚；b在具有微米級 “溝槽”的硅橡膠微流控芯片上均勻制備的水凝膠皮膚；c薄且較光滑的水凝膠皮膚；d厚且較粗糙的水凝膠皮膚
這種水凝膠皮膚層比橡膠表面要柔軟很多。
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