水凝膠材料的案例
中科院蘭州化物所周峰研究員團隊Matter: 濕滑多層水凝膠材料制備新方法
自然界中許多濕滑的生物組織具有典型的層狀結構，進而賦予其獨特的功能特性，水凝膠是制造類層狀組織結構體的重要人工材料，如何實現仿生層狀濕滑水凝膠材料的按需制造，突破層數、層網絡結構、幾何尺寸、厚度、成分和力學性能在時間尺度上的精確調控頗具挑戰。
圖1. UV-SCIRP方法學制備多樣化層狀濕滑水凝膠材料的示意圖。
近期，中科院蘭州化物所麻拴紅副研究員、周峰研究員團隊和美國加州大學洛杉磯分校（UCLA）賀曦敏教授團隊合作提出了一種制備類組織層狀水凝膠材料的新方法：紫外引發的表面催化引發自由基聚合（UV-SCIRP）; 利用該方法可以成功制備具有可控厚度、組分、幾何結構和尺寸的多樣化層狀水凝膠潤滑材料（圖1）;通過該方法制備得到的水凝膠材料層狀特征明顯、層數可控、層厚度均勻且可調, 層界面結合良好, 適用于構筑化學組分交替的多層水凝膠材料（圖2）；該方法可實現復雜形狀和尺寸水凝膠結構體的濕滑改性修飾，如平面、曲面、通道和球體（圖3）；利用UV-SCIRP方法還可成功制備血管狀多層水凝膠結構體，層厚度、化學組分、網絡孔隙率和力學強度精確可調控（圖4）。這項研究工作打破了層狀水凝膠材料制造的傳統“砌磚”成型方式，從界面聚合化學角度出發，提出一種與天然層狀生物組織形成過程相似的聚合新方法學（圖5），為開發具有廣泛應用前景的仿生層狀濕滑水凝膠材料提供了一種全新的制造途徑。
圖2. 利用UV-SCIRP方法制備多層水凝膠材料。
圖3.
展開 .: 低回滯納米復合水凝膠材料
獨特的彈性力學行為還賦予此類復合水凝膠材料優異的抗疲勞性質，例如動態載荷測試表明歷經5000次循環拉伸處理后，此類納米復合水凝膠依然能維持其交聯網絡的完整性，顯示出與其初始狀態幾乎一致的力學行為。
圖2. 不同類型納米顆粒復合水凝膠材料的應力松弛行為、動態流變行為、循環載荷下的應力-應變曲線以及小角中子散射原位表征結果及由此建立的微觀結構示意圖。
通過對比不同類型納米顆粒增強水凝膠的應力松弛行為、動態流變行為以及循環載荷下的應力-應變曲線（圖2），研究團隊明確了高度支化的納米顆粒作為主要交聯點對于構建此類純彈性水凝膠材料的關鍵作用，并進一步通過小角X射線散射以及小角中子散射在微觀尺度上解釋了此類納米增強水凝膠材料純彈性力學行為的根源。
圖3. 基于低回滯納米復合水凝膠材料構建的離子型應力傳感器在微小振動高精度檢測中的應用。
最后，基于此類納米復合水凝膠材料獨特的純彈性力學行為，研究團隊還構建了離子型應變傳感器，實現了對微小振動的高靈敏度檢測（圖3）。該工作以“Hysteresis-Free Nanoparticle-Reinforced Hydrogels”為標題發表在材料學期刊《Advanced Materials》上。相關研究成果為構建高彈性抗疲勞水凝膠材料提供了新的思路與解決方案。
論文的第一作者是中科院化學研究所的孟曉輝博士。通訊作者是中國科學院化學研究所高分子物理與化學實驗室邱東研究員和美國馬薩諸塞大學Amherst分校的Thomas P. Russell教授。
展開 寧波材料所在非對稱仿生智能水凝膠驅動領域取得系列進展
高分子水凝膠驅動材料是近年來發展起來的一類具有與生物組織相似的“軟、濕態”特性的智能高分子材料，它們能夠像生物體一樣“感知”各種外部刺激，從而發生可逆形變，因而在仿生驅動器、軟質機器人等領域具有巨大的應用潛能。但通常受限于材料自身的成分及結構，這些智能水凝膠驅動材料通常存在難以實現三維復雜形變、難以脫離水環境進行驅動、功能較為單一等問題，限制了其進一步應用。針對現存的問題，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研究員陳濤和張佳瑋通過構筑系列的非對稱性高分子水凝膠及其復合材料體系，實現了其在智能水凝膠驅動器的多功能應用。
通過模仿自然界中生物體的各向異性結構，采用紫外光原位法，他們將氧化石墨烯-聚（N-異丙基丙烯酰胺）（GO-PNIPAM）復合水凝膠中的氧化石墨烯局部還原，從而高度可控地獲得了非對稱的各向異性結構。以其為模板，在水凝膠未還原區域引入具有不同刺激響應性的第二網絡，進一步實現了多重響應（熱、光、離子強度和pH響應）的3D復雜形變并設計了一種“仿生抓手”，可在多種外界刺激下，準確抓取特定的目標物（Adv. Funct. Mater. 2016, 26, 8670）。
圖1 （A）含羞草在空氣中響應及其響應機理，（B）具有水分子內循環系統的雙層水凝膠，雙層水凝膠在（C）水、（D）油、（E）空氣中的響應功能
由于智能水凝膠驅動材料需要通過與周圍水溶液發生物質交換誘導水凝膠的溶脹或收縮，從而實現形狀的可逆改變，因而水凝膠驅動材料通常在水相中才能實現驅動功能。構筑可在多種環境實現驅動的水凝膠驅動器，有助于充分發揮智能水凝膠驅動材料的潛能。借鑒含羞草受到外界刺激時葉片閉合、葉柄下垂的機理（水分子在葉枕上下兩部分的定向移動），他們利用熱響應行為相反的高分子構筑了雙層水凝膠（圖1）。
展開 南方科技大學任富增課題組《AFM》：源于仿生的高度各向異性、超強且具有骨傳導性的礦化木材水凝膠復合材料，用于骨修復
原位礦化的羥基磷灰石納米晶體主要沉積在海藻酸鹽水凝膠上，并沿著纖維骨架取向排列，均勻分布于復合水凝膠基體中。
圖2. 結構、成分表征：(a-b) 天然松木的橫截面及縱截面結構；（c）脫木質素前后木材各組分含量變化；（d-e）脫木素后模板的橫截面及縱截面結構；（f）脫木質素前后模板的XRD圖譜；（g-i）模板填充水凝膠后的微觀結構；（j）沉積HAp后復合水凝膠的微觀結構；（k）水凝膠復合HAp的TEM圖及對應的選區電子衍射斑；（l）復合水凝膠中HAp的三維分布；（m）復合水凝膠的2D SAXS圖。
由于纖維素與海藻酸鹽之間的氫鍵作用以及在基體內均勻分布的Hap納米晶體填充效應，該復合水凝膠表現出超強的力學性能，沿纖維取向方向的拉伸強度高達67.8 MPa，彈性模量達到670 MPa，比常規化學交聯水凝膠高3個數量級，并超過大多數的強韌水凝膠材料，與天然骨的強度接近。在平行取向方向，水凝膠拉伸強度為13.2 MPa，彈性模量為7.4 MPa，表現出顯著的各向異性。
圖3. 化學處理后的木材（WW）、木材水凝膠(WH)、HAp礦化的木材水凝膠（MWH）復合材料力學性能對比：(a-c) 分別為WW、WH及MWH沿纖維取向L和垂直纖維取向R的拉伸應力-應變曲線；(d-e)拉伸強度和彈性模量對比；(f) 本研究制備的MWH與其他具有代表性的水凝膠材料、軟骨、骨組織的機械強度及彈性模量對比；(h) 海藻酸鹽水凝膠與纖維素分子間的氫鍵結合。
納米HAp的定向有序沉積賦予了此木材水凝膠復合材料獨特的生物功能性，不僅改善了成骨細胞在WH上的增殖和粘附，并成功誘導細胞向成骨分化。
展開 
納米復合水凝膠在藥物遞送領域的發展
水凝膠是一種普遍存在于生活中的基礎材料，尤其在生物工程和醫學領域有著廣泛的研究和應用。這種材料本質上來說是一種親水的三維聚合物網絡，能夠吸收大量的水以及生物體液，但同時又由于物理化學交聯作用而并不溶于水，因此導致水凝膠材料遇水表現出熱力學相容性，即能夠在水相介質中溶脹。正是由于這些特點，水凝膠材料在藥物遞送等生物應用領域積累了幾十年的科學研究。
近十多年來，納米技術發展迅猛，將納米顆粒與水凝膠相結合用于藥物遞送也成為了研究熱點。簡單來說，所謂納米復合材料就是將納米顆粒或者納米構造通過物理或者共價交聯的方法引入到水凝膠的分子網絡中。由于納米顆粒自身具有獨特的物理化學性質， 引入了納米材料的水凝膠可以增強自身機械性能更利于藥物釋放，或者被賦予諸如外源刺激響應等功能來進一步實現藥物的可控釋放。
【增強水凝膠自身性能】
受限于聚合物網絡結構以及含水量豐富的性質，水凝膠的力學性能較差，而生物支架或者軟骨組織替代物對材料的韌性與機械強度都有一定的要求，因此適當提高水凝膠材料的力學性能能夠促進其在生物醫學領域的發展。魯雄等人受到貽貝粘附現象的啟發，發展了一種聚多巴胺-粘土-聚丙烯酰胺的水凝膠基膠帶。在這種材料中，多巴胺插入粘土納米片層中并在其中進行有限的氧化作用從而為納米片層引入了豐富的自由鄰苯二酚分子，可有效增強材料的粘性。隨后丙烯酰胺單體也被引入并原位生成水凝膠。由于納米粘土可的存在，水凝膠的韌性被大大增強，其粘性持續時間明顯提高，可反復使用，更有利于藥物分子的緩釋作用。
細胞的體外培養需要人工細胞外基質的支持，水凝膠作為細胞外基質的對象材料已經產生了廣泛的研究。
展開 北京林業大學楊俊課題組在納米纖維素自愈合復合水凝膠方面取得系列進展
高強度水凝膠是一類具有三維交聯網絡的軟濕性材料，在柔性電子器件、生物組織替代、組織工程支架等領域有巨大的應用潛力。賦予水凝膠材料自愈合（自修復）能力可以自動修復損傷，恢復其結構和功能，從而提高凝膠材料使用的安全性、可靠性和耐久性，延長其使用壽命。然而，高強度水凝膠的聚合網絡需要強度較高且穩定的交聯，而實現水凝膠自愈合需要動態可逆的交聯，因此，高強度和自愈合從本質上來講是相互矛盾的。如何制備同時具有高機械強度和優異自愈性能的水凝膠材料是水凝膠研究中的一項重要挑戰。
為實現凝膠材料高強度和自愈合性能的集成，北京林業大學楊俊研究小組與北京化工大學萬鵬博研究小組合作設計了一種基于納米纖維素增強和配位鍵可逆修復的復合水凝膠材料。通過在納米纖維素表面均勻涂布單寧酸并進行自由基原位聚合和離子交聯，形成具有動態交聯結構特征的高強度凝膠材料。此外，該凝膠材料還具有優異的粘附性和應變響應的導電特性，可直接黏附到人體的皮膚上，用來檢測手指彎曲等大形變以及脈搏跳動等微弱的生理信號。成功地將組裝后凝膠傳感器應用于投籃訓練姿勢矯正，并可通過人體運動實時監測系統在智能手機客戶端對用戶健康狀況進行分析和診斷。這項工作為設計纖維素基的多功能水凝膠提供了新的思路，拓展了可穿戴柔性電子和醫療保健監測的實際應用。研究成果以“Mussel-Inspired Cellulose Nanocomposite Tough Hydrogels with Synergistic Self-Healing, Adhesive, and Strain-Sensitive Properties”為題在線發表在《Chemistry of Materials》(2018,30 (9), 3110–3121) 期刊上。
展開 ：在3D打印水凝膠-高分子復合結構方面取得重要研究進展
水凝膠是一種含水量較高的聚合物網絡，通過將水凝膠與其他高分子材料快速鍵合形成水凝膠-高分子復合結構，可起到保護、增強水凝膠結構或引入新功能的作用，在生物醫療、柔性電子、軟體機器人等諸多領域有著巨大的應用價值。目前研究者主要將精力集中在水凝膠與硅膠間的復合，且結構多為簡單的層狀結構，極大地限制了其應用。雖然基于數字光處理的3D打印技術可對各種光敏水凝膠和高分子材料進行三維成型，但是水凝膠與其他高分子材料界面間的結合力較弱，如何在打印水凝膠-高分子復合結構的同時增強不同材料間的界面結合力仍然是一個難題。
近日，南方科技大學機械與能源工程系葛锜副教授課題組與浙江大學曲紹興教授課題組合作研究發現，利用改性水溶性光引發劑-2,4,6(三甲基苯甲酰基)二苯基氧化膦（TPO）在引發丙烯酰胺水凝膠光聚合反應時的不完全性，使其能與包括彈性體、剛性聚合物、ABS類樹脂、形狀記憶高分子在內的不同（甲基）丙烯酸酯類樹脂形成共價界面，極大地提高了水凝膠-高分子材料的界面結合力。如圖1所示，利用該團隊自主開發的數字光處理技術多材料3D打印系統，可實現水凝膠-高分子高精度多材料復雜混合三維結構的快速一體化成型。通過三個應用案例，證明了所提出的新方法可以極大地豐富水凝膠-高分子結構與器件的設計自由度，并對其功能和性能實現進一步的提升。
圖1. 多材料3D打印水凝膠與其他高分子材料的復合三維結構
利用該多材料3D打印技術可實現多種水凝膠三維復合材料結構的快速一體化成型。通過剛度增強微結構設計，水凝膠復合材料的模量有幾十倍甚至幾百倍的提升，如圖2所示。
展開 ：在陶瓷納米纖維增強離子導電水凝膠方面取得新進展
離子導電水凝膠由聚合物網絡與電解質鹽溶液組成，其具有高導電性、刺激響應性、生物相容性等特點，在可穿戴設備、健康監測、人機界面等領域具有巨大的應用潛力。目前，研究者們制備了多種具有高離子電導率的水凝膠材料，并探索了它們的應用，但這些水凝膠通常缺乏有效的能量耗散網絡，導致力學強度較低，難以滿足實際應用的力學要求。因此，如何制備兼具高離子電導性與優異力學性能的水凝膠材料是目前亟需解決的難題。
生物纖維組織（皮膚、肌肉、韌帶等）具有良好的力學性能與刺激響應性，其力學性能可歸因于柔軟基質中嵌入的韌性纖維（如膠原纖維）以及纖維與軟基質之間的化學相互作用。受生物纖維組織結構的啟發，東華大學紡織科技創新中心俞建勇院士及丁彬研究員帶領的納米纖維研究團隊以柔韌二氧化硅納米纖維作為離子導電水凝膠的增強組分，同時引入乙烯基硅烷，通過水解縮合-自由基聚合方法在納米纖維與水凝膠網絡間原位化學交聯，獲得了兼具高拉伸模量與高離子電導率的水凝膠材料。該透明納米纖維增強水凝膠的拉伸強度為0.3MPa（斷裂應變為1400%），拉伸彈性模量為0.11MPa（與人類皮膚模量相當），1000次拉伸（100%應變）循環無塑性變形。
圖1. a）納米纖維增強水凝膠的制備示意圖，b）納米纖維增強水凝膠的光學圖像，c）二氧化硅納米纖維和PAM鏈之間的物理/化學作用示意圖，d）水凝膠的XPS光譜，e）Si元素的高分辨XPS光譜，f、g）不同放大倍數下水凝膠的SEM圖，h）EDS圖譜。
展開 中科院深圳先進院杜學敏研究員團隊等發展出天然高分子水凝膠材料三維形態可控編輯新策略
該研究發展了一種天然高分子水凝膠材料三維形態可控編輯新策略，該策略既無需復雜設備進行結構設計，又無需多組分材料復合，僅通過交聯梯度與尺寸效應協同，即可實現單組分傳統高分子水凝膠材料三維形態可控編輯，且該簡單易行的形態編輯策略還可普適拓展到如海藻酸鈉等高分子材料中。該研究工作得到了國家重點研發計劃（2017YFA0701303）、國家自然科學基金（52022102）、中國科學院青年創新促進會（2019353）、深圳市（JCYJ20180507182051636，KQJSCX20180330170232019）等科技項目資助。
《JMCB》專輯：水凝膠性能與應用
3月6日，英國皇家化學會著名學術期刊Journalof Materials Chemistry B第10期發表了“水凝膠性能與應用”專題文集。中科院寧波材料所付俊研究員和澳大利亞臥龍崗大學Marcin het Panhuis教授共同擔任該專題的客座編輯。
該專題薈集了水凝膠性能與應用方面的最新研究進展，收錄了來自中國、美國、德國、英國、澳大利亞、土耳其、新加坡、韓國等國二十多所著名高校、科研機構的專家學者的二十三篇述評、快報和研究論文。
水凝膠是一類生物啟發的仿生功能材料，主要由交聯的親水網絡和大量水組成。傳統水凝膠缺乏能量耗散機制，物理機械性能差，制約了其應用和發展。如何在水凝膠網絡中構建能量耗散機制，提高水凝膠強度、韌性、抗疲勞性能，將增強增韌機制與功能型結構結合，精確調控或構筑水凝膠器件，是水凝膠功能材料和器件領域研究的熱點和難點。
該專輯探討了水凝膠的增強增韌新策略，特別闡述了非共價作用（如靜電、吸附、氫鍵、主客體作用等）以及非共雙網絡水凝膠的增韌和自修復機制；系統闡述了可控形變水凝膠材料的制備技術，總結了水凝膠器件在環境刺激下，從二維結構向三維結構的可逆轉變；討論了水凝膠生物材料在生物3D打印、組織工程、器械表面生物相容性修飾、藥物遞送、神經生物電子器件、生物膠水等方面的應用和發展趨勢。
水凝膠研究領域發展迅速，希望本專題所收錄的相關論文能為同行開展相關研究提供有益的參考。
專輯鏈接：
https://pubs.rsc.org/en/journals/journalissues/tb#!issueid=tb007010&type=current&issnprint=2050-750x
來源：高分子科學前沿
展開 哈佛大學鎖志剛院士課題組：光引發劑接枝的聚合物鏈用于水凝膠與其它材料的集成
軟材料的眾多應用需要將水凝膠與其它材料集成在一起。典型的例子包括組織工程和藥物釋放、生物相容性涂層、化學傳感以及離電器件等。水凝膠的一鍋法制備過程從小分子溶液開始，三個過程同時發生：單體連接成為分子鏈(聚合過程)、分子鏈交聯形成網絡(交聯過程)、水凝膠網絡與基底材料形成粘接(粘接過程)。這一并發性無法適用于水凝膠與滲透性材料(比如組織或者另外一個水凝膠材料)的集成。這些滲透性材料會吸收水凝膠預制液中的單體、引發劑和交聯劑，進而造成副作用甚至產生毒性。因此，一個較為通用的集成方法十分重要。
圖1：光引發劑接枝的聚合物鏈將水凝膠漆的制作者和使用者兩種勞動力分開。
近日，哈佛大學鎖志剛院士課題組對于水凝膠的集成研究有了新的進展。研究人員利用水凝膠漆的概念，完美解決了集成過程中小分子的擴散和殘留問題。水凝膠漆將水凝膠和其它材料的集成過程分為兩個步驟：第一個步驟由水凝膠漆的制作者完成 (maker)，第二個步驟由水凝膠漆的使用者完成(user)。這種勞動力的分配使得制作者可以使用復雜的方法大批量生產水凝膠漆，使得使用者方便地應用水凝膠漆。現在已經使用的水凝膠漆都是以硅烷偶聯劑接枝的聚合物鏈的形式存在的(silane-grafted polymer chains , SGPCs)。在固化過程中，硅烷偶聯劑縮合形成交聯點和粘接點。但是，這一縮合過程缺乏一個可控的觸發機制。因此難以滿足水凝膠漆的兩個基本要求：長保質期和按需固化。
圖2：PGPCs的合成與PGPCs水凝膠的力學性能。
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復旦大學梅永豐教授課題組報道新型仿生水黽的自驅動智能材料
水凝膠是一類具有親水基團的三維網絡結構聚合物智能材料，在水中可以迅速溶脹并在溶脹狀態可以保持大量體積的水而不溶解。由于水凝膠具有良好的生物相容性和生物系統的相似性，被廣泛用于傷口敷料、隱形眼鏡等日常生活以及組織工程、軟機器人等前沿研究。然而，由于水凝膠富含親水基團，在本征上表現為親水特性，一般不疏水，因此基本不存在具有疏水特征的純水凝膠材料。
4月14日，復旦大學材料科學系梅永豐教授課題組在《科學·機器人學》（Science Robotics）上發表題為《仿生水黽的自驅動水凝膠》（“Self-powered locomotion of a hydrogel water strider”）的研究工作。博士研究生朱紅為第一作者，梅永豐教授為通訊作者，該工作得到復旦大學高分子科學系和聚合物分子工程國家重點實驗室共享儀器平臺的大力支持。研究團隊從“0”出發，原創性地合成了一種具有動態疏水特征的新型水凝膠智能材料。該水凝膠在水面上可自驅動運動，無需額外能量供給；飽和吸水后該活性水凝膠即停止運動，干燥處理可恢復活力，再次實現自驅動快速水面運動。
圖1.水黽在水面運動的照片（A），運動機理示意圖（圖A左下角插圖）和它運動速率和位移隨時間的變化規律（B）；活性水凝膠水黽在水面運動的照片和軌跡圖（C），運動機理示意圖（圖C左下角插圖）和它運動速率和位移隨時間的變化規律（D）；活性水凝膠水黽在有水的迷宮的水面自發找到出口的運動軌跡照片（E）；刺激響應性活性水凝膠水黽在受到pH刺激變形后靠岸行為的運動軌跡照片（F）及靠岸后的側視照片（圖F右上角插圖）。
展開 復旦大學丁建東教授系統評述：基于適度兩親性嵌段共聚物的可注射性熱致水凝膠
隨溫度變化而形成物理水凝膠在生活中是常見的現象，然而魚凍等都是在降溫過程所形成。如能發現可生物降解的聚合物-水體系通過升溫而實現自發物理凝膠化，則在生物醫學等方面意義非凡。部分兩親性嵌段共聚物的水溶液隨溫度升高呈現可逆的溶膠-凝膠轉變。如果轉變溫度介于室溫和體溫之間，該類體系可以在室溫或更低溫度下與藥物或細胞混合，并可以注射；一旦注射進入體內，該體系在體溫刺激下原位物理凝膠化，自動包裹藥物或細胞，該過程不依賴于化學反應。由常見的親水性的聚乙二醇(PEG)和疏水性的可降解脂肪族聚酯(PLGA等)這些適宜用于人體的聚合物所組成的嵌段共聚物在某些嵌段長度等條件下具備上述特性，為研發新型生物醫用材料開辟了新的重要的途徑。
圖1 升溫具有溶膠-凝膠相轉變的可注射熱致凝膠化體系及其潛在醫學應用
然而，兩親性嵌段共聚物在水中形成膠束很容易理解，形成物理凝膠則不同尋常，其中蘊含著豐富的物質科學原理。
復旦大學丁建東課題組長期致力于熱致水凝膠體系的系統研究，揭示該體系凝膠化的內在規律。他們發現了聚酯-聚醚嵌段共聚物的端基效應、分子量分布效應等重要現象，總結了熱致水凝膠分子設計的普適規律；揭示了物理凝膠化的機理，提出了凝膠化的物理模型，并顯著擴展了可熱致凝膠化聚合物的成分范圍。他們通過自身的探索以及與醫生等相關人員的合作，進行了大量的動物實驗，探討了熱致水凝膠作為生物醫用材料的可行性，展示了該材料在術后防粘連、藥物緩釋、組織工程等領域的巨大潛力。另外，該課題組針對熱致水凝膠未來產品存在的問題進行了深入思考并提出相應解決方案，包括材料形貌、降解、滅菌、質量標準等與應用息息相關的問題，期望為熱致水凝膠材料的真正臨床應用鋪平道路。
丁建東課題組在《高分子學報》2018年第8期“祝賀江明院士80華誕”專輯發表的專論中系統介紹了聚乙二醇/聚酯熱致水凝膠材料目前的研究進展。
展開 浙大趙騫教授團隊：基于時間編程協同光塑形能力開發的自發變形水凝膠
近年來，刺激響應材料由于其獨特的環境響應性受到研究者廣泛關注。該材料通常需要額外的刺激，如溫度、光、磁場、聲音等，以實現特定的變形行為。然而，施加這些刺激對于一些特定的應用場景（如人體、太空等環境）其實并非易事。如果存在不基于外加刺激的可控變形機制，材料的變形行為即可不受外界環境限制，從而極大地拓寬其設計空間和使用范圍。
最近，浙江大學謝濤教授與趙騫教授團隊在4D打印的啟發下，利用時間編程概念開發了無需外加刺激即可執行可控自發變形的水凝膠材料。在此基礎上，團隊通過網絡的正交交聯設計將光響應雙硫鍵引入體系中，實現水凝膠的三維塑形，以構建具有復雜形狀的功能變形器件。這種時間編程和光塑形的協同效應為水凝膠功能器件的設計提供了新思路。
該工作利用丙烯酰胺（AAm）和丙烯酸（AAc）共聚，并用含有雙硫鍵的水溶聯劑進行交聯。隨后，鋁離子被引入網絡中形成第二重離子交聯，從而制備出離子鍵和雙硫鍵雙重交聯的正交網絡（圖1）。
圖1. 水凝膠的網絡設計
離子鍵在外力作用下會發生解離重構，該過程具備明顯的時間依賴性。該研究利用了這一特性進行材料的時間編程。無光照條件下，雙硫鍵不發生動態交換，表現為穩定的化學交聯點位，因此水凝膠表現出良好的彈性。在一定的應變下，長時間的時間編程將導致體系中的離子鍵重構程度高，體系中剩余的熵驅動力小，從而回彈較慢。而短時間編程時離子鍵未來得及重構，體系的熵驅動力大，回彈較快。因此通過對編程時間調整即可控制水凝膠的回復動力學，實現時序性的變形行為（圖2）。
圖2.
展開 .: 材料和器械表面生長水凝膠潤滑涂層新方法
其間，在器械表面構筑親水潤滑涂層能夠有效減小其與組織界面的摩擦力、降低手術操作難度、減小病人痛苦、延長器械使用壽命。水凝膠是一類具有典型濕滑特征的高分子材料，表面修飾水凝膠涂層可以有效改變材料與器械表面的潤滑特征；但如何通過溫和而可控的技術手段實現水凝膠材料的涂層化修飾仍然頗具挑戰。目前報道的修飾水凝膠涂層的方法，如表面橋聯、表面光引發、水凝膠涂料法等，都存在基材通用性差、涂層厚度可控性差等共性難點。因此，如何實現在通用材料和器械表面可控生長水凝膠潤滑涂層，仍然是該領域的一個科學難點。
針對上述科學難點，早在2018年周峰研究員團隊就發明了表面鐵催化引發自由基聚合（SCIRP）方法學（Adv. Mater., 2018, 30, 1803371），即通過在各種基材中摻雜納米鐵粉制備具有固液界面催化活性的復合材料，然后將其浸沒于單體反應溶液中，便可在室溫條件下于復合材料表面可控生長出水凝膠涂層。SCIRP方法雖然解決了在多樣化基底表面可控修飾水凝膠潤滑涂層的技術難點，然而鐵基復合材料制備過程較為繁瑣，使得該方法在醫療器械領域的應用受限。
圖1. SIL@UV-SCIRP方法生長水凝膠涂層的示意圖。
近期，中科院蘭州化物所周峰研究員、麻拴紅副研究員團隊提出了一種在通用材料和醫療器械表面生長水凝膠潤滑涂層的新方法：即基于黏附性功能層（SIL）的紫外引發-表面催化引發自由基聚合方法（UV-SCIRP）[SIL@ UV-SCIRP]。
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