水凝胶特性及应用

水凝胶是一类具有交联亲水网络和高含水量的仿生、仿生和生物功能材料。水凝胶的化学、结构和功能可以被操纵以用于潜在的应用，例如药物输送、形状变形、形状记忆、软执行器、传感器、人造肌肉、软机器人和组织工程（仅举几例） 。这些令人着迷的材料越来越引起了许多研究人员的兴趣，导致有关水凝胶的论文数量激增。众所周知，大多数传统水凝胶由于网络和交联分布不均匀而较弱。由于缺乏能量耗散机制，它们在机械负载下变得脆弱易碎。长期以来，人们需要设计增韧和能量耗散机制来提高水凝胶的强度、韧性和抗疲劳性。例如，通过掺入不同的官能团或生物活性物质制备了具有响应性、导电性和生物活性的水凝胶。最近，已经开发出制造水凝胶装置和装置组件的策略，并针对实际应用精确控制结构和性能。在本期主题中，我们介绍了水凝胶特性及其应用研究的一系列进展。通过掺入不同的官能团或生物活性物质来制备导电性和生物活性。最近，已经开发出制造水凝胶装置和装置组件的策略，并针对实际应用精确控制结构和性能。在本期主题中，我们介绍了水凝胶特性及其应用研究的一系列进展。通过掺入不同的官能团或生物活性物质来制备导电性和生物活性。最近，已经开发出制造水凝胶装置和装置组件的策略，并针对实际应用精确控制结构和性能。在本期主题中，我们介绍了水凝胶特性及其应用研究的一系列进展。

强韧水凝胶的发明是水凝胶材料史上的一个突破。自早期的坚韧双网络水凝胶、滑环水凝胶和纳米复合水凝胶以来，人们致力于通过网络结构和能量耗散机制的优雅设计来提高水凝胶的机械强度和韧性。一种主要策略是在加载和卸载过程中经历可逆损伤和恢复的网络中引入非共价相互作用，包括（但不限于）静电相互作用、多价配位、氢键、疏水缔合和超分子识别。这些通用策略已被广泛应用于提高生物医学应用的天然聚合物水凝胶的强度和韧性。格罗尔等人。 证明了对通过硫醇-烯点击化学交联的水凝胶的交联效率和机械性能的控制。在 Chen等人的全文中。，制备了由再生丝素蛋白（RSF）和疏水缔合聚丙烯酰胺（HPAAm）网络组成的双网络（DN）水凝胶。第一 RSF 和第二 HPAAm 网络均通过物理关联交联。 DN 凝胶具有出色的强度和韧性，并且在环境温度下能快速自我恢复。卢等人。甚至将受贻贝启发的多巴胺低聚物插入甲基丙烯酰明胶（GelMA）中，在网络中形成额外的牺牲性物理交联，从而产生坚韧且有弹性的水凝胶。超分子相互作用作为能量耗散机制已被广泛引入水凝胶网络中。在 Burdick等人的全文中。，DN水凝胶是通过将超分子客体（GH）透明质酸网络与丙烯酸酯化聚（乙二醇）改性纤维蛋白原（PEG-纤维蛋白原）和PEG二丙烯酸酯的共价网络相结合而制备的。动态 GH 相互作用使水凝胶的特性可调节，用于修复粘弹性组织。此外，卞等人。将多价主客体相互作用作为可逆交联整合到仿生水凝胶中，以操纵凝胶化速率、能量存储和耗散、拉伸滞后和快速恢复。 Wang等人全面综述了大环主客体相互作用在水凝胶力学性能中发挥的关键作用。 。具有丰富官能团和氢键能力的天然聚合物代表了用于多种生物医学应用的水凝胶的重要家族。万马等人。回顾了多功能纤维素基水凝胶在生物医学应用中的应用，从药物输送到组织工程、伤口敷料、生物成像和可穿戴传感器。与坚韧水凝胶的进展相反，令人兴奋的实验结果背后的机制仍有待探索。在分子链水平上追踪水凝胶的凝胶化和变形一直很困难。分子动力学 (MD) 模拟是强大的计算方法，用于理解大量实验观察结果。迪亚兹迪亚兹等人。回顾当前最新的关于水凝胶的凝胶过程和机械性能的MD研究。

自愈对于许多应用来说非常重要。人们对创造可修复材料（包括聚合物弹性体和水凝胶）抱有极大的热情，以用于免维护环境的潜在应用。关键在于损坏后受损债券或结构的重建。可逆债券已被证明可以成功实现这一目的。基于氢键、主客体相互作用、疏水缔合和动态键合等的自修复水凝胶已被广泛报道。任等人。回顾基于主客体相互作用的自修复水凝胶的最新进展，特别关注大环环糊精和葫芦的主体[ n]与不同的客人的乌鲁斯。好的回顾了基于半结晶纳米域作为物理交联的其他策略，以建立具有熔融加工性、自愈性和形状记忆功能的动态网络。这种机制开辟了多种应用，包括可注射水凝胶、化学电机和 3D/4D 打印。贝廷格等人。介绍了一种基于儿茶酚-Fe 3+配位多价配位的自修复水凝胶。凝胶化动力学和自修复取决于金属离子的化合价和氧化还原电位，因此可以通过电化学介导来操纵。

形状变形材料在软机器人、执行器和人造肌肉等应用中很有前景。具有对 pH、温度、光、电场和磁场等敏感的官能团的响应性水凝胶已被广泛报道。由于出色的机械性能和自愈能力提供了材料的稳定性，因此明确的结构和功能对于可编程变形路线至关重要。郭等人。基于聚氨酯-脲超分子网络中的协同氢键和疏水缔合构建热响应和水响应的水凝胶。动态共价键被集成以赋予 pH 响应性降解，同时偶氮苯部分用于赋予紫外可见控制的刚度。类似的多模式策略已经越来越多地被开发来生产多响应多功能响应和形状变形材料。正交机制甚至可以独立操纵水凝胶。吴等人。展示了通过光刻聚合制造具有精确定义的异质结构的光响应和热响应复合水凝胶。整个水凝胶中响应模式的周期性分布激发了顺序刺激下的可编程形状转变。 Nie等人通过将等离子体纳米颗粒空间图案化为热响应水凝胶。 将纳米颗粒的光热加热和热响应性协同结合，在光照射下激发不同模式的形状变形。约诺夫等人。系统地回顾了用于生物医学应用的形状改变聚合物的最新进展，包括智能材料的机械性能、加工技术、制造和最吸引人的应用。目前，大多数形状变形器件是通过多步合成、光刻和增材制造（3D/4D 打印）等方法制造的。发明方便、快捷且高效的方法将不同材料集成到单个复杂设备中仍然是一个挑战。施等人。展示了刚性水凝胶的宏观超分子组装（MSA）。关键是创建一种包含主体或客体部分的灵活间隔涂层，在界面处形成超分子识别。 MSA的概念可能会启发制造多材料和多功能水凝胶装置的新思路。

水凝胶作为一种高含水量和生物相容性的仿生和生物功能材料，长期以来一直被用作组织工程支架。组织和器官在机械性能、结构、生物功能和生理功能方面的多样性需要对支架材料的结构、性能和功能进行广泛的调控。与大多数其他材料相比，水凝胶的优势在于其化学、物理和生物特性的灵活性，可以满足不同的需求。含有生物分子、药物甚至细胞的可注射水凝胶以最小的侵入性注射到目标组织中。赵金等人对这种可注射水凝胶在心力衰竭治疗中的应用进行了综述。。另一方面，对于承重组织，需要足够的强度和韧性来匹配宿主组织。例如，关节软骨组织工程在无血管性质和承载特性方面最具挑战性。传统的水凝胶支架通常由于缺乏足够的机械支撑而失败，尽管其中一些支架可以很好地促进干细胞的软骨形成和新的软骨样组织的形成。最近采用了新策略来增强生物功能水凝胶的强度和韧性。在 Hutmacher、Meinert等人的全文中。 ，用微纤维支架增强的 GelMA 水凝胶用于封装软骨细胞，用于软骨组织工程。必须精确控制机械和化学性质，以避免临床前应用的细胞毒性。为了制造复杂的支架，涉及到包括3D打印在内的新颖制造方法。水凝胶是 3D 生物打印的理想墨水，特别是当支架需要细胞时。张等人。开发一种富含胰岛的胰腺组织衍生的细胞外基质生物墨水和打印的仿生 3D 结构，以增强胰腺功能。

水凝胶生物材料和组织的界面对于体内应用特别感兴趣。水凝胶涂层已被用来赋予可植入医疗设备界面柔软性、提供治疗和控制细胞相互作用。格林等人。回顾水凝胶在神经生物电子学中的应用。具有适当机械、化学和生物特性的水凝胶系统的设计对于植入式医疗设备的软涂层至关重要。尽管大多数传统水凝胶由于高度水合的亲水链而不具有粘性，但最近关于粘性水凝胶的报道开辟了水凝胶的新应用。郑等人。通过制造水凝胶微柱的周期性阵列，制备了用于潮湿和水下表面的仿生水凝胶粘合剂。另外，受贻贝启发的粘附引起了人们对 3,4-二羟基苯丙氨酸 (DOPA) 功能化水凝胶生物粘合剂的广泛研究兴趣。王等人。用 DOPA 基团修饰硫酸软骨素 (CS)，以生产水凝胶作为多种内部医疗应用的生物粘合剂。在与伤口接触时，柔软且适应性强的水凝胶提供了可以促进愈合的细胞生态位。郑吴等人。证明通过使用具有最佳机械性能的两性离子聚（磺基甜菜碱甲基丙烯酸酯）水凝胶可以改善皮肤伤口愈合。

本期以水凝胶特性和应用为主题，旨在为科学家、工程师和医疗专业人员展示这一快速发展领域的一些重要方向。综合评论和原创研究文章不仅提供了最新动态，还提供了水凝胶研究的挑战和观点。我们预计这个主题将激发感兴趣的读者为水凝胶及其应用的研究开发新的想法。

我们感谢所有杰出论文的贡献者，感谢英国皇家化学学会和《材料化学杂志 B》为我们的读者提供本期主题。最后，我们希望您和我们一样喜欢本期主题文章！