水凝胶三次登《Nature》大子刊！

生物水凝胶最早源于生物学研究领域中对生物大分子的研究。20世纪60年代末，科学家发现某些生物大分子具有水凝胶形态，即在水中形成三维网络结构，同时保持一定的弹性和可逆性。这种特殊的凝胶状态激发了科学家们对生物水凝胶的深入研究和应用探索。

生物水凝胶的基本原理是利用特定的生物大分子（如蛋白质、多糖等）在水中形成交联结构，从而形成具有高度保水性和可逆变形性的凝胶体系。这种凝胶具有高度的生物相容性和生物活性，因此在生物医学、组织工程、药物传递等领域展现了巨大的潜力。

近期水凝胶更是引爆热点，2023年8月21日， 3篇Nature大子刊（两篇Nature Materials，一篇Nature Nanotechnology）将水凝胶的应用提升到新的高度！

Part1：香港大学的Nicholas X. Fang和上海交通大学的钱小石：基于光致伸缩性水凝胶的光导载体的自调节水下光致伸缩性

生命体依靠刺激反应反馈回路进行自我调节运动，以获取进食和繁殖的机会，并以适应性方式远离危险。这些调节运动被称为光轴运动、陀螺运动、流轴运动和趋化运动，它们使生物能够对环境刺激做出反应，并朝着首选方向运动。受大自然的启发，人们已经开始努力在各种尺度的流体环境中移动机器人。然而，这些人工系统的控制仍然依赖于预先编程的电子设备和人类在近距离的注意力，例如磁场操纵、精确瞄准、激光闪光频率控制和预设空间限制等。通过引入内置反馈回路，相关材料已取得突破性进展，可实现自我调节的平衡、植物般的趋光跟踪和振荡。已演示的疏光滑行装置被限制在水面和一维流体通道内。能够在没有电子或人工干预的情况下进行全方位、全空间光向导的合成系统仍然是一个非常理想的目标，其目的是在自由空间而不是反射材料中设计出一种可体现的认知材料。然而，在合成材料中加入负反馈回路以实现类似于生物体的复杂自我调节行为仍然是一项设计挑战。

鉴于此，香港大学的Nicholas X. Fang和上海交通大学的钱小石团队合作展示了一种基于水凝胶的载体，其可以在无约束的流体空间内跟随光子照明的方向进行定向调节。通过操纵定制的光热纳米粒子和聚合物基质中的微孔，实现了软材料的强烈化学机械变形。用于演示的飞行器能够迅速摆出最佳姿势，并在自身周围形成定向流，从而实现稳健的全空间光轴运动。此外，这种光轴还能实现一系列复杂的水下运动。本研究证明，这种多功能性是由光流体相互作用的协同作用产生的，从而实现闭环自我控制和快速重新配置。这种无缆绳、无电子设备、由环境提供动力的水凝胶飞行器可以根据中等强度的照明提示（类似于自然阳光的照明提示）灵活地穿越障碍物。

图1 通过自发诱导的不对称调节实现全空间光导示意图

Part2：

水凝胶是亲水性聚合物遇水膨胀后形成的三维（3D）网络，可通过交联保持其结构，其含水量通常高于聚合物材料，因此有望得到广泛应用，尤其是作为生物兼容材料。然而，迄今为止，大多数水凝胶的机械性能较弱且较脆，不过最近的研究进展已大大改善了它们的机械性能。双网络（DN）水凝胶就是这种进步的代表，它通过加入牺牲键来有效消散机械能，从而实现了高的韧性。然而，大多数韧性水凝胶仍然存在韧性与强度之间的典型权衡问题，例如，除非对 DN 水凝胶材料进行处理以调节其各向异性或大幅降低其含水量，否则其断裂应力会保持在几兆帕斯卡。这种权衡的后果在结构稳定的水凝胶中尤为明显，这些水凝胶的网络由稳定的共价键支撑；它们的拉伸强度通常低于 2 兆帕。水凝胶材料具有多种应用前景，尤其是因其高含水量而成为生物兼容材料。尽管近年来水凝胶技术不断进步，但其应用往往受到机械性能不足和制造过程耗时的严重限制。

鉴于此，上海交通大学林秋宁和朱麟勇团队报告了一种快速制备水凝胶的策略，它能同时实现光交联和建立仿生物软硬材料界面微结构。这些仿生界面键合纳米复合水凝胶可在数秒内制备完成，其具有明显分离的相，却具有强键合界面。由于有效的相间载荷传递，仿生界面键合纳米复合凝胶具有超高的韧性（138 MJ m-3）和超强的拉伸强度（15.31 MPa），同时还保持了与常用弹性体（非水合）材料相当或更高的结构稳定性。仿生界面键合纳米复合凝胶可通过三维打印制作成任意复杂的结构，精度达到微米级。总之，这项研究提出了水凝胶材料和丙烯酸弹性体的通用制备策略，将促进软材料领域的进步。

图2 BIN水凝胶的制备

Part3：德国马克斯普朗克智能系统研究所的Metin Sitti：水凝胶肌肉为具有广谱可编程性的可重构微转移结构提供动力

超材料是一类由周期性排列的基本单元组成的人造材料，具有超越天然材料和大块材料的奇特性能，如可调节的机械性能、负折射率 和负泊松比。与传统的被动和静态行为相比，超材料对外界刺激（如光、热、水合以及磁场、电场和电化学场）做出响应时，其几何形状会发生变化，从而具有刺激响应、自适应和可编程的特性和功能，这引起了跨学科的广泛兴趣。将可编程致动转移结构转化到微米或纳米尺度，将为开发高密度功能亚基提供巨大机遇，从而推动片上实验室技术、微型机器人、物理智能机器、低能耗机械计算以及可调光子和声子设备的发展。然而，由于微米和/或纳米尺度的致动机制通常只适用于特定材料，因此对其进行微型化具有很大的挑战性。此外，具有特定初始几何形状的超材料通常会转化为特定的最终构型，而不同的最终构型只能通过设计其他初始几何形状来生成。要实现从相同的初始几何图形转变成可编程的多样化配置，难度可想而知。利用现有的转换机制对单一几何形状进行编程使其转变为多种最终配置仍然具有巨大的挑战性，这对实现其多功能性带来了严重的设计限制。

鉴于此，德国马克斯普朗克智能系统研究所的Metin Sitti团队提出了一种可编程策略，利用线性响应透明水凝胶作为人造肌肉，实现了广谱可重构微转移结构。在水凝胶的作用下，微转移结构的转变源于其构建模块的协同屈曲。通过合理设计转移结构的3D打印参数和几何特征，可实现其局部各向同性或各向异性变形，从而实现具有可编程手性和光学各向异性的可控广谱图案转换。这种重构机制可应用于各种具有广泛机械特性的材料。本研究实现了热可重构打印金属网格，通过逐像素映射不同的打印功率和角度来显示或隐藏复杂信息，从而为加密、微型机器人、光子学和声子学应用提供了机会。

图3 由线性响应水凝胶肌肉（LIHAM）驱动的可重构微超材料的广谱可编程概念和策略

【总结与展望】

总结起来，水凝胶是一种具有广泛应用前景的新兴材料。通过多年的研究和技术突破，水凝胶的合成方法和功能化改性不断完善，应用领域也不断拓展。在未来，随着对水凝胶的深入研究和应用探索，相信它将在医学、化妆品、食品工业和环境保护等领域发挥越来越重要的作用，并为人们的生活和健康带来更多的益处。

文章来源：

https://www.nature.com/articles/s41563-023-01649-3

https://www.nature.com/articles/s41563-023-01648-4

https://www.nature.com/articles/s41565-023-01490-4