水凝膠的案例
【前沿追蹤】光感應(yīng)交聯(lián)劑及水凝膠！調(diào)控水凝膠降解、蛋白質(zhì)釋放方式和速率！
另一個觀察結(jié)果是NB-酰胺水凝膠在連續(xù)照射后30分鐘內(nèi)未完全降解，而帶有其他不穩(wěn)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(yīng)而導致中間體發(fā)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(yīng)。（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(chǎn)率。
3、水凝膠的水解
NB不穩(wěn)定鍵的水解也可使水凝膠在較長時間內(nèi)降解。為了研究水凝膠對在不同水環(huán)境水解的差異，作者將水凝膠浸泡在PBS （pH = 10）中，并在72 h內(nèi)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(wǎng)絡(luò)時水凝膠完全降解。NB-酯水凝膠在緩沖液中1小時內(nèi)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(xiàn)出快速的光降解和水解，而NB-酰胺則表現(xiàn)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(qū)）中，NB-酯在21天之內(nèi)降解，NB-碳酸水凝膠在49天之內(nèi)降解，NB-酰胺和NB-氨基甲酸酯未發(fā)生明顯變化。這對設(shè)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(chǎn)物，Z1和Z2分別代表形成的產(chǎn)物。（B）水凝膠在pH ＝ 10的PBS的體積變化。
展開 深圳大學徐堅教授課題組在提高水凝膠保水性領(lǐng)域取得新進展
水凝膠因其優(yōu)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(lǐng)域應(yīng)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(fā)，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(yīng)用。因此，提高水凝膠的保水性對改善水凝膠的穩(wěn)定性、延長水凝膠的使用壽命、擴展水凝膠的實際應(yīng)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(jié)構(gòu)，以及在水凝膠表面構(gòu)筑仿皮膚雙層疏水涂層的方法。針對在水凝膠表面構(gòu)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(zhàn)，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(nèi)部結(jié)構(gòu)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(yīng)用。
基于此，他們設(shè)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(gòu)筑了類似皮膚結(jié)構(gòu)的雙層疏水涂層來抑制凝膠內(nèi)部水分的蒸發(fā)，從而提高水凝膠的保水性（圖1）。
展開 仿生纖維水凝膠的設(shè)計與應(yīng)用
圖 5 纖維狀水凝膠的各向異性
（a）各向異性原纖維基質(zhì)內(nèi)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(xiàn)纖維排列示意圖。
圖 6 纖維水凝膠的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)
（a）水凝膠結(jié)構(gòu)和機械性能之間的關(guān)系圖；
（b）對于β-發(fā)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(yù)測比例的預(yù)測比例關(guān)系，綠線表示分子水凝膠的預(yù)測比例關(guān)系；
（c）纖維水凝膠的運輸性質(zhì)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(jié)及展望】
纖維水凝膠是組織工程、再生醫(yī)學和3D細胞培養(yǎng)的優(yōu)秀支架，可以制成類似體內(nèi)ECM的機械性質(zhì)和改善的質(zhì)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(gòu)建塊：包括肽、嵌段共聚物和絲狀納米顆粒，實現(xiàn)多種應(yīng)用。
（1）纖維狀水凝膠的機械性質(zhì)對細胞生長和表型的影響的大多數(shù)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(yīng)力松弛及其對細胞行為的影響。迄今為止，納米結(jié)構(gòu)對應(yīng)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(yīng)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(zhì)之間的關(guān)系。纖維狀ECM蛋白的粘彈性和力學性質(zhì)的模擬，分析了結(jié)構(gòu)和材料性質(zhì)的相關(guān)性。類似地，建模方法也可以模擬人造纖維水凝膠的結(jié)構(gòu)-性質(zhì)關(guān)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(shù)高于橫向上的系數(shù)。這種作用可能影響藥物和納米藥物向體內(nèi)特定位置的遞送。
展開 水凝膠近期突破性成果梳理
1、水凝膠表面快速實現(xiàn)微結(jié)構(gòu)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(wǎng)絡(luò)水凝膠的力觸發(fā)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(xiàn)微結(jié)構(gòu)按需生長。研究首先發(fā)現(xiàn)，在玻璃模板上制備DN水凝膠時，由于陰離子型的第一網(wǎng)絡(luò)與帶負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)的合成時使用疏水模板并施加適當壓力，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)功能需求對水凝膠表面的物理形態(tài)及化學性質(zhì)進行快速、有效的可控調(diào)節(jié)。不僅如此，研究還驗證了經(jīng)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(fā)化學改造水凝膠表面的策略，可為水凝膠在各個領(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、高強度抗撕裂導電水凝膠
中國科學院寧波材料技術(shù)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(yīng)，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(gòu)建的新型摩擦納米發(fā)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 
高強韌響應(yīng)型水凝膠及其在智能器件領(lǐng)域的應(yīng)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(qū)動材料得到了特別的青睞。
傳統(tǒng)的水凝膠由于存在網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)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(yīng)用。2000年以來，人們研究開發(fā)了大量高強度韌性水凝膠，包括雙網(wǎng)絡(luò)水凝膠、滑環(huán)水凝膠、納米復(fù)合水凝膠、納米顆粒增強水凝膠、膠束交聯(lián)水凝膠等。合成關(guān)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(luò)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(fù)性和自修復(fù)特性，更有利于水凝膠的應(yīng)用。
響應(yīng)性水凝膠在不同環(huán)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(fā)生體積或形狀變化。對水凝膠網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)進行靈活的化學設(shè)計或修飾，可制備多種多重響應(yīng)型水凝膠。如何將響應(yīng)性與增強增韌機制結(jié)合來制備高強韌響應(yīng)性水凝膠，使其具備承受反復(fù)載荷作用，是水凝膠走向?qū)嶋H應(yīng)用的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。當將不同性質(zhì)的水凝膠集成到單一器件上，或在水凝膠中構(gòu)筑精確可控的性質(zhì)分布，在外場的作用下，器件可發(fā)生程序化的形變或者運動。在高強韌響應(yīng)型水凝膠的重要應(yīng)用領(lǐng)域中，基于水凝膠的柔性智能器件及其驅(qū)動行為研究也是當前的研究熱點。
本專輯總結(jié)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(lǐng)域的應(yīng)用研究。
陳強等系統(tǒng)地論述了基于可逆非共價交聯(lián)的雙網(wǎng)絡(luò)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(yīng)形變方面發(fā)揮了關(guān)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(wǎng)絡(luò)水凝膠。通過調(diào)節(jié)氫鍵作用，實現(xiàn)了形狀記憶。
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(jié)構(gòu)的激光共聚焦照片
02 細胞培養(yǎng)
EFL-GM-PR系列多孔水凝膠在細胞培養(yǎng)方面具有優(yōu)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(yōu)勢。兩種配方的多孔GelMA水凝膠其內(nèi)部細胞增殖速率均高于GelMA無孔水凝膠，在培養(yǎng)第7天時出現(xiàn)了數(shù)倍的細胞數(shù)量差。（圖3）
圖3 EFL-GM-PR系列多孔GleMA水凝膠內(nèi)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(yǎng)時，多孔GelMA同樣具有優(yōu)秀表現(xiàn)，貫通的孔道結(jié)構(gòu)使接種在表面的細胞呈現(xiàn)向凝膠內(nèi)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(yǎng)熒光照片（紅色為熒光GelMA）
03 水凝膠培養(yǎng)過程穩(wěn)定性
多孔結(jié)構(gòu)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(yǎng)，EFL團隊通過優(yōu)化配方，在實現(xiàn)優(yōu)異細胞增殖性能的同時賦予多孔水凝膠良好的穩(wěn)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(wěn)定性方面均有更好的表現(xiàn)。（圖5）
圖5 EFL-GM-PR系列多孔GleMA水凝膠培養(yǎng)過程穩(wěn)定性測試數(shù)碼照片及細胞熒光照片
文章來源：EngineeringForLife
展開 《綠色化學·綜述》生物分子合成仿生納米復(fù)合水凝膠用于止血和傷口愈合
受這些要求的驅(qū)使，Danno10在1958年首次報道了由γ射線輻照合成共價交聯(lián)的聚乙烯醇（PVA）水凝膠。自成立以來，水凝膠發(fā)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(fù)合水凝膠配制的最新進展。
圖1從其起源到當前發(fā)展的水凝膠時間表的示意圖。
2.納米復(fù)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(lián)過程在水性介質(zhì)中使組成單體交聯(lián)以遞送聚合物納米復(fù)合水凝膠來合成水凝膠。
2.4.1化學交聯(lián)的納米復(fù)合水凝膠
納米復(fù)合水凝膠是通過使用有機交聯(lián)劑對聚合物進行化學交聯(lián)而制成的，由于共價鍵合，化學交聯(lián)的水凝膠通常是永久性的。因此，化學交聯(lián)的納米復(fù)合水凝膠表現(xiàn)出很強的機械性能。圖2給出了用于合成納米復(fù)合水凝膠的不同化學交聯(lián)過程的示意圖。納米復(fù)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(fù)合水凝膠的傳統(tǒng)方法：（A）加成反應(yīng)，（B）縮合反應(yīng)，（C）醛交聯(lián)，（D）自由基交聯(lián)和（E）光聚合。
2.4.1.2納米復(fù)合水凝膠工程的物理方法
物理膠凝作用是通過交聯(lián)過程來識別的，該交聯(lián)過程將聚合物溶液可逆地轉(zhuǎn)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(jié)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(lián)，將其用于合成納米復(fù)合水凝膠。物理交聯(lián)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(fù)合水凝膠大多表現(xiàn)出自我修復(fù)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(fù)。圖3表示通過物理方法制備合成水凝膠的不同常規(guī)方法的示意圖。
展開 MIT 趙選賀團隊讓醫(yī)療器械長出柔軟耐用的水凝膠皮膚
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。對比圖4a（橡膠表面彈性模量）和圖4b（水凝膠皮膚表面彈性模量），可以看出，水凝膠皮膚的表面彈性模量僅僅只有橡膠表面的約1/70。并且，從宏觀上看，水凝膠皮膚基本不會改變橡膠的拉伸模量。這說明該水凝膠皮膚只是改變了橡膠表面的柔軟性，并沒有影響橡膠整體的性能和功能（如圖4c）。
圖4. a橡膠表面彈性模量；b水凝膠皮膚表面彈性模量；c制備水凝膠皮膚前后，橡膠的整體硬度對比；d摩擦系數(shù)隨壓強的變化對比；e摩擦系數(shù)隨時間的推移對比；f水凝膠皮膚被長時間摩擦前后對比
同時它在水中具有極其優(yōu)異的耐摩擦磨損性能。一方面，制備了水凝膠皮膚的PDMS的摩擦系數(shù)幾乎不會隨壓強的增大而升高（如圖4d）。另一方面，制備了水凝膠皮膚的PDMS的摩擦系數(shù)幾乎不會隨摩擦時間的增長而升高（如圖4e）。這主要是由于水凝膠皮膚具有非常優(yōu)異的保水性能和抗磨損性能（見圖4f）。另外，水凝膠皮膚層還具有非常優(yōu)異的抗菌潛力。我們證明了大腸桿菌極難在水凝膠皮膚表面生長和附著（如圖5a，b）。
圖5. a, b 抗大腸桿菌實驗結(jié)果
由于該方法不僅可以采用光引發(fā)方式制備，也可以采用熱引發(fā)方式制備。所以，可以在高分子管道的外壁和內(nèi)壁都均勻地制備水凝膠皮膚，比如圖6a所示的醫(yī)用心肌導管外壁以及圖6b所示的商業(yè)聚氯乙烯管道的內(nèi)壁和外壁。該方法還能在很多不規(guī)則形狀的商業(yè)醫(yī)用管狀器械上制備水凝膠皮膚，比如圖6c的氣囊導尿管。
圖6.
展開 《AFM》中國海洋大學徐曉峰/劍橋大學Petri Murto：自修復(fù)和耐損傷水凝膠用于高效太陽能水凈化和海水淡化
通過將自修復(fù)水凝膠與簡單的表面調(diào)制和設(shè)備制造相結(jié)合，首次展示了具有明確結(jié)構(gòu)的整體式、耐用和自浮動界面蒸汽發(fā)生器（圖 1）。
圖1
該研究中開發(fā)的界面蒸汽發(fā)生器的示意圖和工作原理。
水凝膠制備、成分優(yōu)化和自愈特性
PVA是一種水溶性合成聚合物，由于其高親水性、低毒性、生物相容性、生物降解性、良好的機械強度和易加工性，被認為是各種聚合物復(fù)合材料的合適主體材料。SA 是一種天然存在的陰離子聚合物，很容易從棕色海藻中提煉出來，它由以不同序列或嵌段排列的甘露糖醛 (M) 和古洛糖醛 (G) 單元組成。SA由于其生物相容性、無毒、低成本和溫和的凝膠化而廣泛用于許多食品和生物醫(yī)學應(yīng)用。在這項研究中，PVA 被用作基質(zhì)并與不同量的 SA 混合，形成一系列流體狀凝膠（物理凝膠）。沒有化學交聯(lián)的 PVA 和 SA 凝膠稱為 PVA/SA 凝膠。制備不同凝膠和水凝膠的化學機理和反應(yīng)如圖 2 所示。
圖2
復(fù)合凝膠和水凝膠的制備流程圖。
為了在復(fù)合水凝膠中找到理想的
PVA 和 SA 比例以及適當膠凝所需的最小硼砂濃度，將不同體積的硼砂溶液（10 wt% 的水）加入到 PVA（10 wt% 的水中）和 SA（ 3.5 重量％在水中）溶液。在圖 3a 中，數(shù)字對應(yīng)于兩個系列溶液中硼砂：PVA 和硼砂：SA 的重量比。
通過具有能量色散
X 射線光譜儀的掃描電子顯微鏡 (SEM) 進行的元素映射表明 Na、B、C 和 O 在微觀結(jié)構(gòu)水平上均勻分布在整個 cl-PVA/SA/PAAS 水凝膠中，表明整個水凝膠中的材料（SA 和 PAAS）和交聯(lián)點（圖 3b）。
圖3
a) PVA/SA 凝膠理想凝膠化的組分調(diào)制。
展開 寧波材料所在非對稱仿生智能水凝膠驅(qū)動領(lǐng)域取得系列進展
實驗結(jié)果表明，通過改變環(huán)境溫度，水分子可以在兩層水凝膠之間定向移動，從而解決了目前智能水凝膠驅(qū)動材料需要在水相中才能實現(xiàn)驅(qū)動的問題，成功構(gòu)筑了可在水、油和空氣多種環(huán)境中運行的驅(qū)動器（J. Mater. Chem. C 2018, 6, 1320），這極大拓展了水凝膠的應(yīng)用環(huán)境。
自然界中的一些動植物（如變色龍、章魚以及金銀花等），不僅可以自驅(qū)動（變形或運動），還能在各種外界刺激下，導致身體或皮膚對光的吸收、反射能力或者自身發(fā)光性質(zhì)的變化，從而改變自身的體色，進而達到偽裝自己、交流信息等特定目的。然而目前研究的水凝膠驅(qū)動材料及其仿生設(shè)備，很難兼有復(fù)雜驅(qū)動和變色兩種智能功能。這種智能功能的單一性，嚴重限制了智能水凝膠材料的進一步應(yīng)用。針對這一研究中的“瓶頸”，他們基于在智能驅(qū)動和智能變色方面長期的研究基礎(chǔ)，開發(fā)了一種具有3D復(fù)雜驅(qū)動-智能變色雙功能協(xié)同的新型智能仿生水凝膠（Adv. Funct. Mater. 2018, 28, 1704568）。通過制備兩種水凝膠模塊：（1）pH響應(yīng)性的熒光變色水凝膠，即苝酰亞胺功能化的超支化聚乙烯亞胺(PBI-HPEI)水凝膠；（2）溫敏性的智能變形水凝膠，即氧化石墨烯-聚N-異丙基丙烯酰胺（GO-PNIPAM）復(fù)合水凝膠。然后通過宏觀超分子組裝，將收縮狀態(tài)的智能變形水凝膠和pH響應(yīng)熒光變色水凝膠粘合得到雙層非對稱結(jié)構(gòu)，剪成特定的圖案并放入冷水中，可直接形成各種預(yù)設(shè)3D形狀。此水凝膠的復(fù)雜驅(qū)動如同一個開關(guān)，可以控制熒光的產(chǎn)生/消失：在初始狀態(tài)，變色水凝膠被包在了內(nèi)層，而外層的智能變形水凝膠可遮擋絕大部分的激發(fā)光，此時變色水凝膠不能發(fā)出熒光；只有當外界溫度升高，外層水凝膠收縮并帶動整個雙層水凝膠發(fā)生復(fù)雜形變，內(nèi)層的變色水凝膠才能暴露在激發(fā)光源之下并發(fā)出黃色熒光；隨后，通過改變?nèi)芤旱膒H可進一步調(diào)節(jié)變色水凝膠的熒光強度（圖2）。
展開 《化學·科學》可控剛度/形狀記憶/自修復(fù)/pH響應(yīng)DNA水凝膠‘‘人工胰腺’’
使水凝膠經(jīng)受尿素分離，使三鏈橋分離，從而導致較低硬度，僅通過雙鏈體（1）/（1）交聯(lián)的無形基質(zhì)。用葡萄糖或乙酰膽堿處理準液體，無定形基質(zhì)會導致水凝膠的中和，并通過兩個協(xié)同交聯(lián)單元穩(wěn)定的記憶引導的三角形水凝膠的重塑。類似地，圖4b證明了可通過（1）/（1）和（4）/（6）//（7）/協(xié)同穩(wěn)定的GOx /脲酶或AchE /脲酶負載的水凝膠的可逆形狀記憶（5）交聯(lián)劑。在用葡萄糖/尿素或乙酰膽堿/尿素處理水凝膠時，實現(xiàn)了三角形和無形的準液體水凝膠的可逆轉(zhuǎn)變。
圖4（a）負載GOx/脲酶或AchE/脲酶的水凝膠的生物催化導向的可逆形狀記憶特性。
如圖6所示，通過三種負載酶控制水凝膠的剛度，以控制多重觸發(fā)的形狀記憶特征。三角形高剛度的水凝膠通過（2）交聯(lián)。/（3）/（2）三聯(lián)橋和（4）/（6）//（7）/（5）交聯(lián)單元。將三角形水凝膠（狀態(tài)I）置于尿素中會導致較低的剛度，準液態(tài)狀態(tài)III，其中（4）/（6）//（7）/（5）橋充當內(nèi)部記憶。添加葡萄糖后中和基質(zhì)會導致狀態(tài)I的定型硬水凝膠的記憶引導再生。隨后通過乙酰膽堿對定型水凝膠進行酸化會導致無定型，低剛度狀態(tài)II，其中僅包含（ 2）/（3）/（2）三重橋作為內(nèi)存。隨后用尿素處理水凝膠將中和基質(zhì)，從而導致（2）/（3）/（2）引導的剛性三角形水凝膠再生。最后，用葡萄糖處理堅硬的中性水凝膠會重新酸化基質(zhì)，從而導致僅通過（2）/（3）/（2）記憶橋交聯(lián)的無形基質(zhì)。
圖6 T–A·T和尿素，葡萄糖或乙酰膽堿引導的超分子雙鏈體交聯(lián)的三酶負載水凝膠的循環(huán)形狀記憶特征。
人工胰腺藥釋
GOx催化的水凝膠基質(zhì)中胰島素的釋放表明，酶響應(yīng)性水凝膠可以引入一種概念來定制“人工胰腺”，其中水凝膠充當胰島素自主引導葡萄糖釋放的載體。因此，作者將GOx和香豆素標記的胰島素整合在較高硬度的水凝膠基質(zhì)中，如圖9a所示。
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納米復(fù)合水凝膠在藥物遞送領(lǐng)域的發(fā)展
水凝膠是一種普遍存在于生活中的基礎(chǔ)材料，尤其在生物工程和醫(yī)學領(lǐng)域有著廣泛的研究和應(yīng)用。這種材料本質(zhì)上來說是一種親水的三維聚合物網(wǎng)絡(luò)，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(lián)作用而并不溶于水，因此導致水凝膠材料遇水表現(xiàn)出熱力學相容性，即能夠在水相介質(zhì)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(yīng)用領(lǐng)域積累了幾十年的科學研究。
近十多年來，納米技術(shù)發(fā)展迅猛，將納米顆粒與水凝膠相結(jié)合用于藥物遞送也成為了研究熱點。簡單來說，所謂納米復(fù)合材料就是將納米顆粒或者納米構(gòu)造通過物理或者共價交聯(lián)的方法引入到水凝膠的分子網(wǎng)絡(luò)中。由于納米顆粒自身具有獨特的物理化學性質(zhì)， 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(yīng)等功能來進一步實現(xiàn)藥物的可控釋放。
【增強水凝膠自身性能】
受限于聚合物網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)以及含水量豐富的性質(zhì)，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(yī)學領(lǐng)域的發(fā)展。魯雄等人受到貽貝粘附現(xiàn)象的啟發(fā)，發(fā)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(xù)時間明顯提高，可反復(fù)使用，更有利于藥物分子的緩釋作用。
細胞的體外培養(yǎng)需要人工細胞外基質(zhì)的支持，水凝膠作為細胞外基質(zhì)的對象材料已經(jīng)產(chǎn)生了廣泛的研究。
展開 西南交通大學魯雄教授團隊AFM：仿貽貝超強、細胞友好、接觸增強抗菌水凝膠
水凝膠在體內(nèi)外抗菌性能測試
(a) 用不同水凝膠培養(yǎng)24小時的表皮葡萄球菌和大腸桿菌懸浮液；(b)不同水凝膠對表皮葡萄球菌和大腸桿菌的抑菌率；(c) 體內(nèi)抗菌模型示意圖; (d)水凝膠植入過程展示圖；(e) 水凝膠植入7天后植入位置的外觀情況觀察；(f) 植入水凝膠取樣后內(nèi)部情況的觀察；(g) 水凝膠周圍組織的組織學染色觀察。
圖五. 水凝膠的細胞親和性
成纖維細胞在不同水凝膠表面粘附的激光共聚焦照片(a) 聚（丙烯酸-甲基丙烯酸2-（二甲基氨基）乙酯）水凝膠、 (b) 聚（丙烯酸-甲基丙烯酸2-（二甲基氨基）乙酯）-季銨化殼聚糖水凝膠、(c) 聚（丙烯酸-雙鍵化多巴胺-甲基丙烯酸2-（二甲基氨基）乙酯）水凝膠、(d) 聚（丙烯酸-雙鍵化多巴胺-甲基丙烯酸2-（二甲基氨基）乙酯）-季銨化殼聚糖水凝膠，表明MADA的加入能過提神水凝膠的細胞粘附性；(e) 成纖維細胞與不同水凝膠共培養(yǎng)3、5天增殖。
圖六. 水凝膠在皮膚修復(fù)中的應(yīng)用
(a) 水凝膠植入的示意圖; (b) 在植入不同時期后用聚（丙烯酸-甲基丙烯酸2-（二甲基氨基）乙酯）-季銨化殼聚糖水凝膠，聚（丙烯酸-雙鍵化多巴胺-甲基丙烯酸2-（二甲基氨基）乙酯）-季銨化殼聚糖和負載表皮細胞生長因子（EGF）的聚（丙烯酸-雙鍵化多巴胺-甲基丙烯酸2-（二甲基氨基）乙酯）-季銨化殼聚糖水凝膠處理皮膚缺損的外觀照片; (c) 隨之植入時間傷口愈合百分比。(d) 21天后，傷口切片的H&E染色。
展開 《大分子》可調(diào)諧和大規(guī)模模型網(wǎng)絡(luò) StarPEG-DNA 水凝膠
照片顯示了凝膠在室溫 (RT) 下的適印性和自支撐性質(zhì)。
【總結(jié)】
團隊報告了對基于帶有雙鏈接頭的
starPEG-DNA 構(gòu)建塊的準理想模型網(wǎng)絡(luò)水凝膠的表征的首次詳細研究。
材料設(shè)計建立在
團隊
最近開發(fā)的 OP-LPOS 合成策略的基礎(chǔ)上，該策略為大規(guī)模聚合物/DNA 混合材料開辟了道路。可以通過改變接頭長度和改變鹽度和構(gòu)建塊的濃度來訪問廣泛的屬性空間。凝膠 G' 值可在 20 Pa 至 3.1 kPa 范圍內(nèi)調(diào)節(jié)，因此在細胞機械感應(yīng)發(fā)生的范圍內(nèi)。(60-62) 松弛時間尺度也特別可通過鹽度調(diào)節(jié)。在二價陽離子 (Mg
2+
) 存在下組裝的所有水凝膠在 10 °C 的測量頻率范圍 (f = 0.001–100 Hz) 中沒有顯示弛豫時間，但在其他條件下沿寬譜發(fā)生相應(yīng)變化。水凝膠的形成是堅固的，這種 starPEG-DNA 水凝膠的機械性能可以承受反復(fù)的加熱和冷卻循環(huán)，并且在水凝膠組裝幾個月后，諸如 Tco 和 τ 等性能仍能保持。
水凝膠組裝所需的構(gòu)建塊、通過
OP-LPOS 的 starPEG-T20 和通過自動固相合成的 DNA 接頭的合成的簡便性和可擴展性，應(yīng)該促進這種水凝膠作為生物材料在各種應(yīng)用中的應(yīng)用。因此，
該
工作奠定了基礎(chǔ)，但包括使用適體、酶促反應(yīng)片段或靶向（例如，使用更復(fù)雜的 DNA 接頭的應(yīng)變硬化水凝膠）的更高水平反應(yīng)的充分可能性似乎是可行的。
展開 ：遇水自發(fā)形成水凝膠并在濕潤動物組織表面形成強韌黏附的粉末
能在濕潤動物組織表面形成強韌濕黏附（wet adhesion）的水凝膠受到了越來越多的關(guān)注。目前主要由兩種策略實現(xiàn)水凝膠強韌的濕黏附，一是將制備好的黏附水凝膠按壓在組織上；二是將水凝膠前體溶液滴在濕潤組織表面，然后再給予刺激，使溶液原位形成水凝膠并粘附在組織上。但是，組織上的界面水（interfacial water）和通過化學鍵交聯(lián)的水凝膠網(wǎng)絡(luò)極大地限制了水凝膠和濕潤組織之間的黏附作用。為了消除界面水和化學交聯(lián)對水凝膠形成強韌黏附的限制，邊黎明教授團隊制備了一種能吸收動物組織表面的界面水并在原位形成具有強韌黏附水凝膠的聚乙烯亞胺/聚丙烯酸（PEI/PAA）粉末。
PEI/PAA粉末的制備過程如圖1a所示，將PEI和PAA水溶液充分混合得到PEI/PAA復(fù)合物。隨后將PEI/PAA復(fù)合物經(jīng)過冷凍干燥和粉碎后，就能得到PEI/PAA粉末。基于高分子之間強物理作用和高分子的擴散，PEI/PAA粉末能快速吸水并在2秒內(nèi)形成水凝膠（圖1）。
圖1. PEI/PAA粉末的制備及其遇水形成水凝膠的過程。
將PEI/PAA粉末灑在濕潤的基板上后，PEI/PAA粉末能快速吸收界面水形成PEI/PAA水凝膠。同時，PEI/PAA水凝膠表面的官能團能和基板表面的官能團通過物理作用結(jié)合，從而能在2秒內(nèi)促發(fā)黏附。隨后，水凝膠中通過物理作用交聯(lián)的高分子能擴散到基板的網(wǎng)絡(luò)里，和基板的網(wǎng)絡(luò)形成互穿網(wǎng)絡(luò)，增強水凝膠的黏附作用。將粉末灑在聚丙烯酰胺水凝膠和多種動物組織表面后，PEI/PAA粉末能快速吸收界面水在原位形成水凝膠并黏附在基板上。
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