凝膠材料的案例
中科院蘭州化物所周峰研究員團(tuán)隊(duì)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(jié)構(gòu)，進(jìn)而賦予其獨(dú)特的功能特性，水凝膠是制造類層狀組織結(jié)構(gòu)體的重要人工材料，如何實(shí)現(xiàn)仿生層狀濕滑水凝膠材料的按需制造，突破層數(shù)、層網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)、幾何尺寸、厚度、成分和力學(xué)性能在時(shí)間尺度上的精確調(diào)控頗具挑戰(zhàn)。
圖1. UV-SCIRP方法學(xué)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(tuán)隊(duì)和美國(guó)加州大學(xué)洛杉磯分校（UCLA）賀曦敏教授團(tuán)隊(duì)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(fā)的表面催化引發(fā)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(jié)構(gòu)和尺寸的多樣化層狀水凝膠潤(rùn)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(shù)可控、層厚度均勻且可調(diào), 層界面結(jié)合良好, 適用于構(gòu)筑化學(xué)組分交替的多層水凝膠材料（圖2）；該方法可實(shí)現(xiàn)復(fù)雜形狀和尺寸水凝膠結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)體，層厚度、化學(xué)組分、網(wǎng)絡(luò)孔隙率和力學(xué)強(qiáng)度精確可調(diào)控（圖4）。這項(xiàng)研究工作打破了層狀水凝膠材料制造的傳統(tǒng)“砌磚”成型方式，從界面聚合化學(xué)角度出發(fā)，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(xué)（圖5），為開發(fā)具有廣泛應(yīng)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(fù)合水凝膠材料
獨(dú)特的彈性力學(xué)行為還賦予此類復(fù)合水凝膠材料優(yōu)異的抗疲勞性質(zhì)，例如動(dòng)態(tài)載荷測(cè)試表明歷經(jīng)5000次循環(huán)拉伸處理后，此類納米復(fù)合水凝膠依然能維持其交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)的完整性，顯示出與其初始狀態(tài)幾乎一致的力學(xué)行為。
圖2. 不同類型納米顆粒復(fù)合水凝膠材料的應(yīng)力松弛行為、動(dòng)態(tài)流變行為、循環(huán)載荷下的應(yīng)力-應(yīng)變曲線以及小角中子散射原位表征結(jié)果及由此建立的微觀結(jié)構(gòu)示意圖。
通過對(duì)比不同類型納米顆粒增強(qiáng)水凝膠的應(yīng)力松弛行為、動(dòng)態(tài)流變行為以及循環(huán)載荷下的應(yīng)力-應(yīng)變曲線（圖2），研究團(tuán)隊(duì)明確了高度支化的納米顆粒作為主要交聯(lián)點(diǎn)對(duì)于構(gòu)建此類純彈性水凝膠材料的關(guān)鍵作用，并進(jìn)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(qiáng)水凝膠材料純彈性力學(xué)行為的根源。
圖3. 基于低回滯納米復(fù)合水凝膠材料構(gòu)建的離子型應(yīng)力傳感器在微小振動(dòng)高精度檢測(cè)中的應(yīng)用。
最后，基于此類納米復(fù)合水凝膠材料獨(dú)特的純彈性力學(xué)行為，研究團(tuán)隊(duì)還構(gòu)建了離子型應(yīng)變傳感器，實(shí)現(xiàn)了對(duì)微小振動(dòng)的高靈敏度檢測(cè)（圖3）。該工作以“Hysteresis-Free Nanoparticle-Reinforced Hydrogels”為標(biāo)題發(fā)表在材料學(xué)期刊《Advanced Materials》上。相關(guān)研究成果為構(gòu)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(xué)研究所的孟曉輝博士。通訊作者是中國(guó)科學(xué)院化學(xué)研究所高分子物理與化學(xué)實(shí)驗(yàn)室邱東研究員和美國(guó)馬薩諸塞大學(xué)Amherst分校的Thomas P. Russell教授。
展開 寧波材料所在非對(duì)稱仿生智能水凝膠驅(qū)動(dòng)領(lǐng)域取得系列進(jìn)展
高分子水凝膠驅(qū)動(dòng)材料是近年來發(fā)展起來的一類具有與生物組織相似的“軟、濕態(tài)”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(fā)生可逆形變，因而在仿生驅(qū)動(dòng)器、軟質(zhì)機(jī)器人等領(lǐng)域具有巨大的應(yīng)用潛能。但通常受限于材料自身的成分及結(jié)構(gòu)，這些智能水凝膠驅(qū)動(dòng)材料通常存在難以實(shí)現(xiàn)三維復(fù)雜形變、難以脫離水環(huán)境進(jìn)行驅(qū)動(dòng)、功能較為單一等問題，限制了其進(jìn)一步應(yīng)用。針對(duì)現(xiàn)存的問題，中國(guó)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)研究員陳濤和張佳瑋通過構(gòu)筑系列的非對(duì)稱性高分子水凝膠及其復(fù)合材料體系，實(shí)現(xiàn)了其在智能水凝膠驅(qū)動(dòng)器的多功能應(yīng)用。
通過模仿自然界中生物體的各向異性結(jié)構(gòu)，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(fù)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(duì)稱的各向異性結(jié)構(gòu)。以其為模板，在水凝膠未還原區(qū)域引入具有不同刺激響應(yīng)性的第二網(wǎng)絡(luò)，進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)了多重響應(yīng)（熱、光、離子強(qiáng)度和pH響應(yīng)）的3D復(fù)雜形變并設(shè)計(jì)了一種“仿生抓手”，可在多種外界刺激下，準(zhǔn)確抓取特定的目標(biāo)物（Adv. Funct. Mater. 2016, 26, 8670）。
圖1 （A）含羞草在空氣中響應(yīng)及其響應(yīng)機(jī)理，（B）具有水分子內(nèi)循環(huán)系統(tǒng)的雙層水凝膠，雙層水凝膠在（C）水、（D）油、（E）空氣中的響應(yīng)功能
由于智能水凝膠驅(qū)動(dòng)材料需要通過與周圍水溶液發(fā)生物質(zhì)交換誘導(dǎo)水凝膠的溶脹或收縮，從而實(shí)現(xiàn)形狀的可逆改變，因而水凝膠驅(qū)動(dòng)材料通常在水相中才能實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)功能。構(gòu)筑可在多種環(huán)境實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)的水凝膠驅(qū)動(dòng)器，有助于充分發(fā)揮智能水凝膠驅(qū)動(dòng)材料的潛能。借鑒含羞草受到外界刺激時(shí)葉片閉合、葉柄下垂的機(jī)理（水分子在葉枕上下兩部分的定向移動(dòng)），他們利用熱響應(yīng)行為相反的高分子構(gòu)筑了雙層水凝膠（圖1）。
展開 南方科技大學(xué)任富增課題組《AFM》：源于仿生的高度各向異性、超強(qiáng)且具有骨傳導(dǎo)性的礦化木材水凝膠復(fù)合材料，用于骨修復(fù)
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(fù)合水凝膠基體中。
圖2. 結(jié)構(gòu)、成分表征：(a-b) 天然松木的橫截面及縱截面結(jié)構(gòu)；（c）脫木質(zhì)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(jié)構(gòu)；（f）脫木質(zhì)素前后模板的XRD圖譜；（g-i）模板填充水凝膠后的微觀結(jié)構(gòu)；（j）沉積HAp后復(fù)合水凝膠的微觀結(jié)構(gòu)；（k）水凝膠復(fù)合HAp的TEM圖及對(duì)應(yīng)的選區(qū)電子衍射斑；（l）復(fù)合水凝膠中HAp的三維分布；（m）復(fù)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(nèi)均勻分布的Hap納米晶體填充效應(yīng)，該復(fù)合水凝膠表現(xiàn)出超強(qiáng)的力學(xué)性能，沿纖維取向方向的拉伸強(qiáng)度高達(dá)67.8 MPa，彈性模量達(dá)到670 MPa，比常規(guī)化學(xué)交聯(lián)水凝膠高3個(gè)數(shù)量級(jí)，并超過大多數(shù)的強(qiáng)韌水凝膠材料，與天然骨的強(qiáng)度接近。在平行取向方向，水凝膠拉伸強(qiáng)度為13.2 MPa，彈性模量為7.4 MPa，表現(xiàn)出顯著的各向異性。
圖3. 化學(xué)處理后的木材（WW）、木材水凝膠(WH)、HAp礦化的木材水凝膠（MWH）復(fù)合材料力學(xué)性能對(duì)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(yīng)力-應(yīng)變曲線；(d-e)拉伸強(qiáng)度和彈性模量對(duì)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(jī)械強(qiáng)度及彈性模量對(duì)比；(h) 海藻酸鹽水凝膠與纖維素分子間的氫鍵結(jié)合。
納米HAp的定向有序沉積賦予了此木材水凝膠復(fù)合材料獨(dú)特的生物功能性，不僅改善了成骨細(xì)胞在WH上的增殖和粘附，并成功誘導(dǎo)細(xì)胞向成骨分化。
展開 
北京化工大學(xué)盧詠來教授課題組：基于凝膠多糖及泡沫模板的三維氧化鋁導(dǎo)熱復(fù)合材料的制備
現(xiàn)代電子設(shè)備對(duì)高導(dǎo)熱界面材料的要求越來越高。獲得高熱導(dǎo)率的關(guān)鍵是在基體中建立起完整的導(dǎo)熱網(wǎng)絡(luò)。
基與上述背景，北京化工大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院盧詠來教授課題組采用發(fā)泡法，通過對(duì)氧化鋁以及凝膠多糖懸浮液進(jìn)行發(fā)泡，利用泡沫將氧化鋁及凝膠多糖排斥到泡孔之間，然后在一定溫度下加熱，發(fā)揮凝膠多糖的快速凝膠特性，將導(dǎo)熱通路固定下來。圖1顯示了制備的過程。圖2顯示了形成的導(dǎo)熱通路的結(jié)構(gòu)。
圖1
3D-Al2O3-PDMS
復(fù)合材料的制備流程示意圖
.
圖
2
氧化鋁骨架材料的
SEM
圖像：
(a-d)
不同氧化鋁含量的氧化鋁骨架材料；
(e-f)骨架材料上的開孔；
(g-i)在氮?dú)庵杏?00 ℃加熱的氧化鋁骨架材料.
得到導(dǎo)熱骨架材料后，他們通過真空浸漬的方法將PDMS注入到骨架材料的泡孔中，PDMS固化后制得復(fù)合材料。圖3是制備的復(fù)合材料截面的SEM圖以及EDS圖，它們展示了復(fù)合材料中氧化鋁和PDMS的存在狀態(tài)。
圖3 3D-Al2O3-PDMS的微觀結(jié)構(gòu): (a-c) SEM圖片；(d) 3D-Al2O3-PDMS的SEM圖像以及Si、Al和O元素的EDS圖像.
圖4(a)顯示了氧化鋁凝膠復(fù)合材料和通過無(wú)規(guī)共混法制備的復(fù)合材料它們的熱導(dǎo)率對(duì)氧化鋁負(fù)載量的依賴性。通過兩種方法制備的復(fù)合材料的熱導(dǎo)率都隨著氧化鋁質(zhì)量分?jǐn)?shù)的提高而逐漸增大。當(dāng)填料的質(zhì)量分?jǐn)?shù)逐漸增大，填料逐漸在基體中構(gòu)建起導(dǎo)熱通路，使得聲子由交替通過基體和填料的方式，逐漸轉(zhuǎn)向更多地在連接起來的填料網(wǎng)絡(luò)中通過。
展開 中科院深圳先進(jìn)院杜學(xué)敏研究員團(tuán)隊(duì)等發(fā)展出天然高分子水凝膠材料三維形態(tài)可控編輯新策略
該研究發(fā)展了一種天然高分子水凝膠材料三維形態(tài)可控編輯新策略，該策略既無(wú)需復(fù)雜設(shè)備進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，又無(wú)需多組分材料復(fù)合，僅通過交聯(lián)梯度與尺寸效應(yīng)協(xié)同，即可實(shí)現(xiàn)單組分傳統(tǒng)高分子水凝膠材料三維形態(tài)可控編輯，且該簡(jiǎn)單易行的形態(tài)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(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃（2017YFA0701303）、國(guó)家自然科學(xué)基金（52022102）、中國(guó)科學(xué)院青年創(chuàng)新促進(jìn)會(huì)（2019353）、深圳市（JCYJ20180507182051636，KQJSCX20180330170232019）等科技項(xiàng)目資助。
清華大學(xué)朱宏偉教授團(tuán)隊(duì)在石墨烯/高分子復(fù)合凝膠柔性應(yīng)變傳感材料上取得進(jìn)展
目前關(guān)于應(yīng)變傳感材料的研究已取得了一定進(jìn)展，但由于較差的適應(yīng)性和耐久性，在應(yīng)用方面仍然受到限制，尤其體現(xiàn)在對(duì)柔性有特殊要求的復(fù)雜運(yùn)動(dòng)檢測(cè)場(chǎng)合。此外，應(yīng)變傳感的應(yīng)用受限于特定應(yīng)變測(cè)量范圍和靈敏度。開發(fā)同時(shí)具有高靈敏度和大變形能力的應(yīng)變傳感器仍然具有挑戰(zhàn)性。 鳳凰環(huán)氧樹脂127https://www.hongyantu.com/goodlist/sz/48285.html
清華大學(xué)材料學(xué)院朱宏偉教授團(tuán)隊(duì)采用生物礦化方法合成了一種動(dòng)態(tài)交聯(lián)、可自愈合的石墨烯/高分子復(fù)合凝膠材料用于柔性大應(yīng)變傳感。以石墨烯/高分子凝膠為傳感材料，借助其動(dòng)態(tài)交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的延展性及導(dǎo)電性，貼附于異型表面制備了不同結(jié)構(gòu)（“三明治”夾層結(jié)構(gòu)、纖維結(jié)構(gòu)、自支撐結(jié)構(gòu)）的電阻式應(yīng)變傳感器，具有大量程（高達(dá)500％）、高靈敏度、適應(yīng)性強(qiáng)（在空氣中和水下均能正常工作）、可靠耐用等特點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)了多種復(fù)雜動(dòng)態(tài)形變信號(hào)（擺動(dòng)、蠕動(dòng)、扭動(dòng)及人體關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)）的實(shí)時(shí)快速監(jiān)測(cè)。
相關(guān)成果發(fā)表在Small上。論文第一作者為清華大學(xué)材料學(xué)院博士生林舒媛，通訊作者為朱宏偉教授。本研究得到了國(guó)家自然科學(xué)基金面上項(xiàng)目的資助。
展開 哈佛大學(xué)鎖志剛院士課題組：光引發(fā)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(yīng)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(xué)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(gè)過程同時(shí)發(fā)生：?jiǎn)误w連接成為分子鏈(聚合過程)、分子鏈交聯(lián)形成網(wǎng)絡(luò)(交聯(lián)過程)、水凝膠網(wǎng)絡(luò)與基底材料形成粘接(粘接過程)。這一并發(fā)性無(wú)法適用于水凝膠與滲透性材料(比如組織或者另外一個(gè)水凝膠材料)的集成。這些滲透性材料會(huì)吸收水凝膠預(yù)制液中的單體、引發(fā)劑和交聯(lián)劑，進(jìn)而造成副作用甚至產(chǎn)生毒性。因此，一個(gè)較為通用的集成方法十分重要。
圖1：光引發(fā)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(dòng)力分開。
近日，哈佛大學(xué)鎖志剛院士課題組對(duì)于水凝膠的集成研究有了新的進(jìn)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(kuò)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(gè)步驟：第一個(gè)步驟由水凝膠漆的制作者完成 (maker)，第二個(gè)步驟由水凝膠漆的使用者完成(user)。這種勞動(dòng)力的分配使得制作者可以使用復(fù)雜的方法大批量生產(chǎn)水凝膠漆，使得使用者方便地應(yīng)用水凝膠漆。現(xiàn)在已經(jīng)使用的水凝膠漆都是以硅烷偶聯(lián)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(lián)劑縮合形成交聯(lián)點(diǎn)和粘接點(diǎn)。但是，這一縮合過程缺乏一個(gè)可控的觸發(fā)機(jī)制。因此難以滿足水凝膠漆的兩個(gè)基本要求：長(zhǎng)保質(zhì)期和按需固化。
圖2：PGPCs的合成與PGPCs水凝膠的力學(xué)性能。
展開 北京林業(yè)大學(xué)楊俊課題組在納米纖維素自愈合復(fù)合水凝膠方面取得系列進(jìn)展
高強(qiáng)度水凝膠是一類具有三維交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)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(lǐng)域有巨大的應(yīng)用潛力。賦予水凝膠材料自愈合（自修復(fù)）能力可以自動(dòng)修復(fù)損傷，恢復(fù)其結(jié)構(gòu)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(zhǎng)其使用壽命。然而，高強(qiáng)度水凝膠的聚合網(wǎng)絡(luò)需要強(qiáng)度較高且穩(wěn)定的交聯(lián)，而實(shí)現(xiàn)水凝膠自愈合需要?jiǎng)討B(tài)可逆的交聯(lián)，因此，高強(qiáng)度和自愈合從本質(zhì)上來講是相互矛盾的。如何制備同時(shí)具有高機(jī)械強(qiáng)度和優(yōu)異自愈性能的水凝膠材料是水凝膠研究中的一項(xiàng)重要挑戰(zhàn)。
為實(shí)現(xiàn)凝膠材料高強(qiáng)度和自愈合性能的集成，北京林業(yè)大學(xué)楊俊研究小組與北京化工大學(xué)萬(wàn)鵬博研究小組合作設(shè)計(jì)了一種基于納米纖維素增強(qiáng)和配位鍵可逆修復(fù)的復(fù)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(jìn)行自由基原位聚合和離子交聯(lián)，形成具有動(dòng)態(tài)交聯(lián)結(jié)構(gòu)特征的高強(qiáng)度凝膠材料。此外，該凝膠材料還具有優(yōu)異的粘附性和應(yīng)變響應(yīng)的導(dǎo)電特性，可直接黏附到人體的皮膚上，用來檢測(cè)手指彎曲等大形變以及脈搏跳動(dòng)等微弱的生理信號(hào)。成功地將組裝后凝膠傳感器應(yīng)用于投籃訓(xùn)練姿勢(shì)矯正，并可通過人體運(yùn)動(dòng)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)在智能手機(jī)客戶端對(duì)用戶健康狀況進(jìn)行分析和診斷。這項(xiàng)工作為設(shè)計(jì)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(yī)療保健監(jiān)測(cè)的實(shí)際應(yīng)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(fā)表在《Chemistry of Materials》(2018,30 (9), 3110–3121) 期刊上。
展開 .: 材料和器械表面生長(zhǎng)水凝膠潤(rùn)滑涂層新方法
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(rùn)滑特征；但如何通過溫和而可控的技術(shù)手段實(shí)現(xiàn)水凝膠材料的涂層化修飾仍然頗具挑戰(zhàn)。目前報(bào)道的修飾水凝膠涂層的方法，如表面橋聯(lián)、表面光引發(fā)、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(diǎn)。因此，如何實(shí)現(xiàn)在通用材料和器械表面可控生長(zhǎng)水凝膠潤(rùn)滑涂層，仍然是該領(lǐng)域的一個(gè)科學(xué)難點(diǎn)。
針對(duì)上述科學(xué)難點(diǎn)，早在2018年周峰研究員團(tuán)隊(duì)就發(fā)明了表面鐵催化引發(fā)自由基聚合（SCIRP）方法學(xué)（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(fù)合材料，然后將其浸沒于單體反應(yīng)溶液中，便可在室溫條件下于復(fù)合材料表面可控生長(zhǎng)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(rùn)滑涂層的技術(shù)難點(diǎn)，然而鐵基復(fù)合材料制備過程較為繁瑣，使得該方法在醫(yī)療器械領(lǐng)域的應(yīng)用受限。
圖1. SIL@UV-SCIRP方法生長(zhǎng)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(tuán)隊(duì)提出了一種在通用材料和醫(yī)療器械表面生長(zhǎng)水凝膠潤(rùn)滑涂層的新方法：即基于黏附性功能層（SIL）的紫外引發(fā)-表面催化引發(fā)自由基聚合方法（UV-SCIRP）[SIL@ UV-SCIRP]。
展開 哈佛大學(xué)鎖志剛教授與西安交大盧同慶教授《PNAS》: 水凝膠復(fù)合補(bǔ)片 - 用于組織創(chuàng)口閉合的新型醫(yī)用材料
文章鏈接：
https://www.pnas.org/content/118/28/e2103457118
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哈佛大學(xué)鎖志剛教授課題組：在軟材料韌性表征方面取得新進(jìn)展
美國(guó)兩院院士鎖志剛教授在西安交大畢業(yè)典禮上的致辭 | 今晚9點(diǎn)有直播訪談
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南科大軟體力學(xué)實(shí)驗(yàn)室與哈佛大學(xué)鎖志剛教授團(tuán)隊(duì)合作《Adv. Mater.》
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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(xué)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(shí)又由于物理化學(xué)交聯(lián)作用而并不溶于水，因此導(dǎo)致水凝膠材料遇水表現(xiàn)出熱力學(xué)相容性，即能夠在水相介質(zhì)中溶脹。正是由于這些特點(diǎn)，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(xué)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(diǎn)。簡(jiǎn)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(jià)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(dú)特的物理化學(xué)性質(zhì)， 引入了納米材料的水凝膠可以增強(qiáng)自身機(jī)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(jìn)一步實(shí)現(xiàn)藥物的可控釋放。
【增強(qiáng)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(xué)性能較差，而生物支架或者軟骨組織替代物對(duì)材料的韌性與機(jī)械強(qiáng)度都有一定的要求，因此適當(dāng)提高水凝膠材料的力學(xué)性能能夠促進(jìn)其在生物醫(yī)學(xué)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(jìn)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(qiáng)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(qiáng)，其粘性持續(xù)時(shí)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(xì)胞的體外培養(yǎng)需要人工細(xì)胞外基質(zhì)的支持，水凝膠作為細(xì)胞外基質(zhì)的對(duì)象材料已經(jīng)產(chǎn)生了廣泛的研究。
展開 復(fù)旦大學(xué)梅永豐教授課題組報(bào)道新型仿生水黽的自驅(qū)動(dòng)智能材料
通過設(shè)計(jì)活性水凝膠材料的形狀、材料分布的非對(duì)稱性和周邊環(huán)境的表面親疏水性，研究團(tuán)隊(duì)控制該活性水凝膠材料進(jìn)行各種可控軌跡和定向的運(yùn)動(dòng)，例如模擬球類運(yùn)動(dòng)和走出迷宮運(yùn)動(dòng)（圖1E）等。進(jìn)一步，通過引入新的刺激響應(yīng)性化學(xué)組分，活性水凝膠可以在自驅(qū)動(dòng)運(yùn)動(dòng)期間同步實(shí)現(xiàn)變形，從而智能化地改變相應(yīng)的運(yùn)動(dòng)軌跡；例如通過變形暴露不同潤(rùn)濕特性的側(cè)邊，實(shí)現(xiàn)類似于自然界水黽的爬岸動(dòng)作。研究團(tuán)隊(duì)發(fā)明了一種可動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)潤(rùn)濕特性的水凝膠材料，賦予其新的“活性”運(yùn)動(dòng)特征，展現(xiàn)了一種新穎的致動(dòng)模式和運(yùn)動(dòng)行為。
該工作為柔性軟機(jī)器人的設(shè)計(jì)和研究提供了新的材料選擇，豐富了水凝膠材料的種類，從而可為其在藥物緩釋、組織工程等重要領(lǐng)域的應(yīng)用提供新的路徑。
文章信息：Hong Zhu, Borui Xu, Yang Wang, Xiaoxia Pan, Zehua Qu, Yongfeng Mei*. Self-powered locomotion of a hydrogel water strider, Science Robotics, 2021, 6: eabe7925.
文章鏈接：
https://doi.org/10.1126/scirobotics.abe7925
來源：復(fù)旦大學(xué)材料系
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展開 ：用于心臟組織工程的多肽基導(dǎo)電抗菌凝膠材料
超分子材料通過非共價(jià)相互作用自組裝，以實(shí)現(xiàn)特定功能。這些可逆的非共價(jià)作用為材料提供了層級(jí)結(jié)構(gòu)，賦予材料有序與動(dòng)態(tài)的特征，以模擬生命系統(tǒng)。其中，水凝膠為超分子材料的重要部分。而基于短肽的水凝膠由于其優(yōu)異的生物相容性、高保水量與高凝膠化傾向，具有廣闊的應(yīng)用前景。但較差的機(jī)械穩(wěn)定性阻礙了其發(fā)展。為此，引入超分子3D基質(zhì)，通過納米工程等手段能夠有效地解決機(jī)械性能不足的問題。同時(shí)，引入特定的超分子纖維能夠賦予凝膠導(dǎo)電性能，提供獨(dú)特的生物學(xué)功能。
本文中，作者開發(fā)了一種基于短肽RGD與聚苯胺（PAni）的超分子纖維復(fù)合水凝膠。該材料具有優(yōu)異的機(jī)械穩(wěn)定性，能夠支持纖維細(xì)胞于表面的黏附與生長(zhǎng)，同時(shí)也具有抗菌性與導(dǎo)電性能。
作者首先合成了肽段Fmoc-K(Fmoc)-RGD。該肽段能夠在低濃度下（0.5% w/v）下形成透明的凝膠。透射電子顯微鏡（TEM）表征表明，其由纏結(jié)的納米纖維組成，證明了其為超分子凝膠（圖1b）。流變結(jié)果表明，凝膠在一小時(shí)內(nèi)形成，儲(chǔ)能模量高達(dá)5 kPa（圖1c-d）。同時(shí)，上述凝膠具有一定的自愈特征，能夠在大應(yīng)變下轉(zhuǎn)變?yōu)槿苣z狀態(tài)，并在應(yīng)變于線性粘彈區(qū)時(shí)發(fā)生重組（圖1f-g）。傅里葉變換紅外光譜（FTIR）和熒光光譜表明凝膠內(nèi)部存在的β-折疊特征與Fmoc基團(tuán)的π–π堆積（圖1h-j）。
圖1. 本文的水凝膠設(shè)計(jì)
此外，分子動(dòng)力學(xué)（MD）模擬也證實(shí)了凝膠的自組裝過程。其中，F(xiàn)moc基團(tuán)之間的π–π堆積在聚集體內(nèi)部形成疏水核心，對(duì)于水凝膠骨架的形成起到重要作用。
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