锁志刚 梳理：大牛锁志刚、赵选贺、江雷在水凝胶的最新进展

一、索志刚(哈佛大学)

挤出印刷是一种很有前途的快速成型方法，但现有方法不能满足基本要求:以任意顺序印刷水凝胶和弹性体的整体结构，附着力强。针对这一问题，哈佛大学索志刚教授和Xi交通大学唐京达实验室的团队联合提出了一种用于软结构3D打印的强韧性键合技术，实现了水凝胶/弹性体亲水疏水异质结构的打印，具有超界面键合。

图1-印刷水凝胶和弹性体整体结构的方法示意图

研究人员将偶联引发剂溶解在弹性体材料中，分别调节弹性体预聚物溶液和水凝胶预聚物溶液的粘度，在3D中以任意顺序印刷在一起，然后引发聚合反应，形成具有强粘附性的水凝胶/弹性体复合材料。这种方法不同于普通的表面改性，采用的是本体改性的策略，可以为其他异质材料的可拉伸器件、软机制备和复合3D打印提供通用的解决方案，如图1所示。即在印刷过程中，各种材料的油墨在压力梯度下流经喷嘴，但在重力和毛细作用下仍能保持其形状。固化过程中形成共价键，将单体单元连接成聚合物链，将聚合物链交联成水凝胶和弹性体的聚合物网络，将两个聚合物网络连接成一个整体结构。在该方法中，将连接引发剂加入到一种油墨中，以共价连接水凝胶网络和弹性体网络。附着能在5000 J /m 2以上。印刷的变形结构可以承受肿胀，而印刷的人工轴突可以承受锤子的反复击打。该方法为开发广泛应用于医学和工程的软设备开辟了道路。该研究团队在国际知名期刊《高级功能材料》(AdvancedFunctionalMaterials)上发表了相关研究成果，题目为“以强附着力的仲裁顺序印刷水凝胶和弹性体”。

柔性可拉伸材料(弹性体、凝胶等。)在可拉伸电子器件、软机器人、药物释放和组织再生方面具有广阔的应用前景。大多数应用场景要求可拉伸材料具有低滞后和高韧性——即，在正常工作范围内，材料在拉伸和恢复过程中消耗较少的能量，并且当出现裂纹时，它们在裂纹尖端区域消耗更多的能量以防止裂纹扩展。而材料的韧性和滞后通常是正相关的，不能同时满足上述要求。例如，高弹性弹性体或单一聚合物网络的水凝胶具有低滞后和低韧性。单一网络通常通过添加填料或添加第二层网络引入牺牲键来增韧，但牺牲键的断裂和重构可能会导致明显的滞后。因此，它不能应用于软机器人、传感器和制动器。而且这种韧性材料的疲劳门槛远低于其断裂韧性，无论引入的牺牲键是否能自我修复。

图2-具有不同网络结构的可拉伸材料的韧性和滞后

针对这一问题，哈佛大学索志刚教授的团队提出了打破韧性与滞后相关性，同时达到高韧性和低滞后的设计原则2。利用这一工作原理，制备了低弹性模量基体和高弹性模量纤维的复合材料，破坏了韧性和滞后的关系，实现了高韧性和低滞后。该复合材料保留了低滞后，但具有高韧性(10000 J/m2)和抗疲劳性。通过实验和计算，确定了大模量的对比降低了裂纹前沿的应力集中，强附着力使纤维与基体结合，抑制了纤维与基体之间的滑移。高韧性、低迟滞性的可拉伸材料为创造高周期、低功耗的软机器人和软人机界面提供了机会。如图2所示，在裂纹尖端，纤维和基体之间的高模量比可以显著降低裂纹尖端附近的应力集中，使得大部分纤维被高度拉伸。当纤维断裂时，整个高度拉伸区域的弹性能量被释放。这个过程类似于单个聚合物网络的断裂过程。而在单个聚合物网络中，裂纹尖端只有一层分子链被高度拉伸，裂纹扩展时，储存在这一层分子链中的弹性能被释放出来。然而，复合材料中高度拉伸区域的尺寸比分子链长度高几个数量级，从而实现高韧性。只要基体和纤维材料具有低滞后，界面结合足够强，复合材料就能保持低滞后。同时，材料的抗疲劳性能也能得到显著提高。该研究团队在国际著名期刊《PNAS》上发表了题为“高韧性低卫生的可拉伸材料”的相关研究成果。

近年来，基于水凝胶的柔软装置已被广泛开发。例如，柔软的机器人、类似皮肤的传感器、可拉伸的光纤、透明的摩擦发生器和可拉伸的电离能装置。这些应用的工作条件涉及长时间的重复机械载荷，因此水凝胶不仅需要长时间保持其功能，还需要长时间保持良好的机械强度和拉伸性。但所有水凝胶都有空孔、裂纹、杂质等缺陷。，这是很容易打破的。所以大部分坚韧的水凝胶都是通过吸收破坏牺牲键的巨大能量损失来设计的。然而，这些水凝胶在长期循环加载下仍然会断裂甚至出现小裂纹。

图3制备了具有聚乙烯醇晶体结构且对缺陷不敏感的聚丙烯酰胺-聚乙烯醇-硫水凝胶

基于此，哈佛大学索志刚教授提出了水凝胶在静态和循环载荷下对裂纹不敏感的工作原理。这种设计在分子水平上排列水凝胶中的聚合物链，以偏转裂缝3。为了证明这一原理，以聚丙烯酰胺和聚乙烯醇为原料制备了具有纯晶畴的水凝胶，如图3所示。当水凝胶沿准直方向拉伸时，初始缺陷裂纹沿加载方向偏转和扩展，剥离材料，使水凝胶再次完善。这种水凝胶对现有缺陷不敏感，即使在超过10，000次加载循环下也是如此。通过实验和断裂力学计算，确定各向异性达到裂纹偏转的临界程度。并且该原理可以扩展到其他水凝胶系统。研究小组在著名的《高分子快速通讯》杂志上以“静态和循环载荷下的缺陷不敏感水凝胶”为题发表了相关研究成果。

二、赵宣和(麻省理工)

生物电子学与人体的相互作用，包括电刺激和神经活动记录，是神经科学与工程、诊断、治疗、可穿戴和可植入设备等领域快速发展的基础。由于软、湿和活生物组织与硬、干和合成电子系统之间的固有差异，在这两个不同领域之间开发更兼容、有效和稳定的接口一直是科学和技术中最困难的挑战之一。近年来，水凝胶因其与生物组织的相似性以及在电、机械和生物功能工程方面的多功能性，已成为下一代生物电子界面的一种有前途的候选材料。

图4-水凝胶可以弥合生物学和电子学之间的差距，为生物电子学的应用提供广阔的前景

因此，麻省理工学院赵宣和研究团队首次提出水凝胶是最理想的人机界面载体之一，系统定义了水凝胶生物电子的基本原理和材料设计原则，给出了现有水凝胶电子材料的实例，并提出了水凝胶生物电子未来的发展方向。如图4所示，论文主要总结了(一)组织-电极相互作用的基本机制，(二)水凝胶与人体生物电界面的独特优势，(三)水凝胶在生物电子学中的最新进展，(四)对未来水凝胶生物电子学设计的合理指导。水凝胶生物电子技术的进步将为生物学和电子学的紧密结合带来前所未有的机遇，可能会模糊人与机器的界限。该研究小组在顶级国际期刊《化学社会评论》上发表了一篇题为“水凝胶生物电子学”的特别评论论文。

在现代医疗技术中，与生物体相互作用的设备通常由金属、硅、陶瓷和塑料制成。植入这种装置通常是长期监测或治疗的侵入性程序。这会给病人或医生带来相当大的痛苦和麻烦。比如做胃镜，有时候需要麻醉，给患者带来很大的痛苦和伤害。而且这些常用的设备大多受胃肠道运行时间的限制，最多在消化道停留1-2天，不能长时间监测体征。水凝胶具有良好的机械顺应性和生物相容性，为人机交互提供了新的契机。使用水凝胶来完成胃的停留需要水凝胶非常快速地膨胀，并且能够经受住胃随时间的机械力。然而，现有水凝胶具有膨胀率高、膨胀速度快、不能长期保持强度的特点。

图5-水凝胶装置的设计方案

基于此，麻省理工学院赵宣和的研究团队首次提出并实现了可食用水凝胶电子器件，实现了吃一个“果冻”就可以监测30天的温度、pH、进食吃药、消化道疾病等核心体征。研究小组的解决方案是根据河豚的灵感将水凝胶设计成胶囊，如图5所示，由两种材料制成的水凝胶组成。胶囊内是聚丙烯酸钠，一种高吸水性水凝胶颗粒，能快速吸水，大体积膨胀。口服水凝胶胶囊只有药丸大小，口服后在胃中能迅速吸收水分，体积扩大约100倍，并能在胃腔内长时间停留。水凝胶装置可以同时保持胃内的柔韧性和抗疲劳性:一方面可以实现与胃腔膜的柔性接触，避免磨损胃腔，引起胃溃疡等不良排斥反应；另一方面，能长期抵抗胃腔的机械蠕动和胃酸的化学腐蚀。此外，通过在水凝胶中嵌入电子传感器(例如，温度传感器)，可以连续监测核心体征(例如，胃中的温度)长达一个月。研究小组在国际顶级期刊《自然通讯》上以“可摄入水凝胶装置”为题发表了相关研究成果。

在长期稳定高效的人机界面交互和融合过程中，要求界面材料具有高导电性、优异的稳定性、良好的生物相容性以及与人体组织相匹配的力学性能。导电聚合物水凝胶是实现人体与生物电子器件完美兼容的理想界面材料之一。然而，现有的导电水凝胶难以满足电、机械、生物相容性和稳定性的应用要求。导电聚合物水凝胶，特别是聚(3，4-亚乙基二氧噻吩):聚苯乙烯磺酸盐(PEDOT:PSS)，由于其良好的电学和力学性能，为生物组织的传感和刺激提供了一个有前途的电学接口。

图6-纯(PEDOT:PSS)水凝胶的制备图

因此，麻省理工学院赵宣和的研究团队提出，形成稳定的导电聚合物纳米纤维互连网络是获得高性能导电聚合物水凝胶的关键，并发明了一种简单有效的设计高性能聚(3，4-乙撑二氧噻吩):聚(苯乙烯磺酸盐)(PEDOT:PSS)水凝胶6的方法，如图6所示。所报道的纯PEDOT:PSS水凝胶具有高达40 S/cm的电导率、良好的机械性能(断裂伸长率大于35%，杨氏模量为2 MPa)以及良好的电学、电化学和机械稳定性。纯PEDOT:PSS导电水凝胶的制备有助于加深人们对高性能导电水凝胶合理设计的认识，高性能导电水凝胶在可调湿度的生理环境下具有优越的力学、电学和电化学稳定性以及各向同性和各向异性溶胀，为新一代生物电子产品的生产和应用提供更好的材料平台。研究小组在国际顶级期刊《自然通讯》上发表了相关研究成果，标题为“纯PEDOT:PSS水凝胶”。

水凝胶在设备和机械中的新应用要求水凝胶在周期性机械载荷下保持韧性和强度。当水凝胶能够抵抗单循环机械载荷下的断裂时，这些增韧凝胶在多循环载荷下仍会发生疲劳断裂。水凝胶是人工软骨、关节和椎间盘的理想替代品。这些应用要求水凝胶在循环载荷下具有抗疲劳性。目前报道的合成水凝胶的疲劳阈值在1 ~ 100J/m2之间，因此设计抗疲劳断裂的水凝胶仍然是软材料领域的一大难题。

图7-抗疲劳断裂水凝胶的设计原理

人体韧带肌肉每年承受数百万MPa的应力，并保持1000 J/m2以上的疲劳阈值。韧带肌肉中胶原的有序结晶区可能是其抗疲劳的原因。受生物组织的启发，麻省理工学院赵宣和的研究小组提出，抗疲劳断裂水凝胶的设计需要使单位面积能量的疲劳裂纹遇到断裂能远高于聚合物链的物质。例如纳米晶畴等。，如图7所示。证明在水凝胶中引入结晶度可以显著提高其抗疲劳断裂性能。结晶度为18.9%的聚乙烯醇(PVA)在膨胀状态下的疲劳阈值可超过1000 J/m2，抗疲劳设计原理可用于指导具有长期使用价值的水凝胶设备和仪器的开发。研究小组在国际著名期刊《科学进展》上以“抗疲劳-断裂水凝胶”为题发表了相关研究成果。

3.姜磊(中国科学院院士)空间异质结构系统中的范德瓦尔斯集成策略

随着科学技术和社会的发展，海洋开发变得越来越必要和频繁。在这个过程中，海洋生物的污损现象非常严重，主要是指海洋生物附着和聚集在物质表面。从而带来不良影响。比如会增加船的阻力，导致速度下降，油耗增加；材料的加速老化和腐蚀，造成了大量的经济损失。为了克服这些困难，已经采取了许多措施。目前的海洋反污染策略大多属于无差别中毒，不仅效率低下，还可能导致毒物通过生物链富集后被人消耗。因此，开发一种高效、环保的海洋污染防治方法仍然是一项紧迫的任务。其中，硅藻附着是海洋污染过程中最严重的问题之一。

图8-8-SOSA凝胶制备示意图

基于此，中科院理化所院士和海南大学浩教授的研究团队首次提出使用正硅酸类似物诱导硅藻摄取，进而干扰硅藻的正常生命活动，最终实现抗硅藻附着8。硅藻需要吸收大量硅酸才能合成硅壳，而人和其他海洋生物不吸收硅酸。鉴于这种差异，研究小组使用了一种合成的正硅酸盐类似物(SOSA)，如图8所示。将3-甲基丙烯酰氧基丙基三甲氧基硅烷(TMSPMA)通过共聚固定在凝胶中，水解得到含三个硅羟基的SOSA，制备了柔性的硅藻抗粘连凝胶。在水凝胶中，SOSA有三个与原硅酸非常相似的氢硅键，还有一个在水中稳定的碳硅键。当这些物质被凝胶表面被染色的硅藻吸收时，由于C-Si键相对稳定，不会像正硅酸一样凝聚形成二氧化硅壳，硅藻的正常生命活动会发生紊乱，最终影响硅藻的附着行为。详细研究表明，含SOSA的水凝胶具有良好的抗硅藻附着性能，SOSA的抗硅藻效果是有针对性的，只有试图附着在SOSA水凝胶表面的生物受到影响。SOSA水凝胶具有高效环保的特点，在海洋污染防治方面具有广阔的应用前景。研究小组在国际知名的《材料化学杂志》A上发表了相关研究成果，题目为“利用一种以邻羟基酸类似物为隐蔽食物的水凝胶预防糖尿病粘连”。

在活细胞的信号传递中，离子分布的调节在生物转化中非常重要。如维持细胞离子平衡、信号转导、能量收集等。纳米通道门控机制可以通过pH、电压、温度、光刺激等各种触发物质来控制离子分布，从而控制离子或分子在人工离子通道中的传输和分布。近年来，DNA纳米技术的快速发展，尤其是核酸在外界刺激下的可逆转化反应及其丰富的刺激源，使得DNA纳米技术非常适合实现离子通道门控机制。但由于DNA门控纳米通道单层结构中存在少量DNA基质，且纳米通道尺寸较小，其离子传输选择性(整流比)和效率(离子通量)有限，是近年来DNA门控纳米通道研究的不足。此外，在现有的DNA纳米通道中，阴离子和阳离子的传输方向无法控制。因此，为了提高DNA纳米通道中的离子传输能力，有必要设计可重构的DNA结构。

图9-离子通道制备过程及DNA水凝胶网络形成和过渡过程示意图

为此，中国科学院物理与化学研究所姜磊院士团队、北华研究所现场副研究员、以色列耶路撒冷希伯来大学I. Willner教授首次研制出基于智能DNA水凝胶刺激响应的离子通道9，如图9所示。DNA水凝胶是一种负电荷介于空之间的三维网络结构。与纳米通道中的其他响应分子不同，它的离子通量和整流比显著提高。通过K+离子和冠醚的循环处理，DNA水凝胶的状态可以在刚性差的网络和刚性差的网络之间可逆地切换，从而提供纳米通道的门控机制。基于DNA水凝胶的结构和pH刺激，可以精确控制阳离子或阴离子的传输方向，实现多重门控特性。同时，水凝胶中的G-四链体DNA(G-四链体四链体，是由富含鸟嘌呤的核酸序列组成的四链体类型)有可能被其他刺激反应性DNA分子、肽或蛋白质所替代，这为智能水凝胶改善纳米通道的功能开辟了新的途径。研究团队将相关研究成果发表在国际顶级期刊Angewandte Chemie-国际版上，题目为“智能DNA水凝胶集成高离子通量、可调节选择性转运的纳米通道”。

参考

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本文由冯雪供稿，材料人编辑部编辑

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