顶刊汇总，水凝胶研究工作近期顶刊集锦！

在生物电子学和生物医学工程领域，创建与生物组织相兼容的软界面对于神经植入物、健康监测设备等多种应用至关重要。导电水凝胶因其接近生物组织的机械特性和在生理环境中的高电导率而成为研究的热点。

在生物电子学和生物医学工程领域，创建与生物组织相兼容的软界面对于神经植入物、健康监测设备等多种应用至关重要。导电水凝胶因其接近生物组织的机械特性和在生理环境中的高电导率而成为研究的热点。然而， 现有的导电水凝胶在湿环境下的耐久性和可靠性较差，尤其是它们容易从基材上剥离，这限制了它们在实际临床应用中的长期稳定性。 近日， 首尔国立大学Seung Hwan Ko与韩国科学技术院Taek-Soo Kim团队成员们合作研发出一种高稳定性的聚(3,4-乙烯二氧噻吩)：聚(苯乙烯磺酸盐)(PEDOT:PSS)导电水凝胶，这些水凝胶通过激光诱导的相分离和界面结构形成，具有高稳定性和在湿环境下对各种基材的强粘附力。 相关研究以“Laser-induced wet stability and adhesion of pure conducting polymer hydrogels”为题发表相关工作发表在《Nature Electronics》。

粘合剂在日常应用中扮演着必不可少的角色，但传统粘合剂在生产、使用和处理等环节存在一定的环境污染等问题。为了解决这些挑战，研究人员寻求从可再生资源中开发高性能粘合剂，这些粘合剂可以在环保条件下可持续地合成。日前， 浙江大学、良渚实验室洪逸研究员和 欧阳宏伟教授 发表了一项创新性研究，他们受到蜗牛的启发，开发出了一种具有超高黏附力的生物基胶粘剂（SFA）。这种胶粘剂不仅黏性强，而且从原料来源到使用再到去除都无需化学反应处理，对环境友好。 SFA在陶瓷上展示了28 MPa的粘附强度，在从-150°C到300°C的广泛温度范围内展示了强大的粘附性能，并允许重复使用至少10次而不降低粘附性能。 此外，SFA可以使用碳酸钠溶液轻松去除，增加了其环保性能。该研究为工业应用、文物修复和有极端温度要求的基材提供高性能、可重复使用的粘合剂创造了新的可能性。相关工作以“Sustainable Snail-Inspired Bio-Based Adhesives with Ultra-High Adhesion”为题发表在《Advanced Functional Materials》上。

水凝胶由三维交联的亲水聚合物网络构成，具备保留大量水分的能力。相较于刚性无机材料和干燥聚合物，水凝胶的机械性能可以广泛调整，适用于模仿软骨、皮肤、肌肉及大脑等多种生物组织。其结构多样且易于改性，在生物功能工程中展现出杰出的多功能性，包括刺激响应性和优异的界面特性，应用广泛于传感器、致动器、涂层、声探测器、光学和电子学领域。尽管具有这些优点，但由于缺乏半导体特性，它们在电子学中的应用一直受到限制，传统上只能用作绝缘体或导体。

据此，北京大学雷霆研究员团队开发了基于水溶性 n 型半导体聚合物的单网络和多网络水凝胶，赋予传统水凝胶以半导体功能。这些水凝胶显示出良好的电子迁移率和高导通/关断比，可用于制造低功耗、高增益的互补逻辑电路和信号放大器。作者证明，具有良好生物粘附性和生物相容性界面的水凝胶电子器件可以感应和放大电生理信号，并提高信噪比。相关成果以“N-type semiconducting hydrogel”为题发表在《Science》上。

加速血管生成是糖尿病创面愈合的关键 。血管内皮生长因子（VEGF）被认为对伤口愈合和血管生成具有显著促进作用。然而，在临床实际应用中VEGF并未显示出明显的疗效。其中一个关键原因在于，糖尿病创面通常面临持久的慢性炎症、蛋白水解和严重氧化应激等不利于组织再生的恶劣微环境，这不仅损害了创面组织的自愈能力，还大幅限制了外源性促血管生长因子的生物可利用度。 近日， 浙江大学医学院附属第二医院王新刚教授、韩春茂教授及药学院张宇琪研究员 等团队为了克服上述难题， 合作开发了一种炎症响应性水凝胶用于促进糖尿病创面愈合，具体设计了一种负载普鲁士蓝纳米颗粒（PBNPs）和VEGF的炎症响应性水凝胶，这种水凝胶能通过调节伤口部位的免疫微环境，增强VEGF的促血管生成能力，加速创面愈合。 相关 研究以“Inflammation-Responsive Hydrogel Accelerates Diabetic Wound Healing Through Immunoregulation and Enhanced Angiogenesis”为题发表在《 Advanced Healthcare Materials 》上。

随着社会的发展，人们对于健康和运动的关注度越来越高，因此智能运动监测设备也越来越受欢迎。然而，现有的传统传感器存在一些问题，如在寒冷的冬季运动中易受到冰冻的影响，且易受微生物污染。因此，研究一种具有抗冻性和高度可伸展性的新型传感材料，对于解决这些问题具有重要意义。

近日，天工大范杰/张青松团队 通过在聚乙烯醇（PVA）和羧甲基纤维素（CMC）的基材中引入交联的AAm和VBIMBr共聚物网络，通过自由基聚合制备了一种多功能的离子导电水凝胶，该水凝胶具有高强度、良好的导电性、透明度、抗冻性和抗菌性能 。 由于共聚物之间的多种相互作用，包括共价交联、多重氢键相互作用和静电相互作用，所得到的离子导电水凝胶表现出高拉伸强度（360.6 kPa）、大断裂伸长率（810.6%）、良好的韧性和疲劳抗性能。 VBIMBr的引入赋予了PCPAV水凝胶良好的透明度（约92%）、高离子电导率（15.2 mS/cm）和抗菌活性，且在低于零度的温度下具有良好的柔性和导电性。 值得注意的是，该水凝胶具有广泛的应变范围（0-800%）、高应变灵敏度（GF = 3.75）、快速响应、长期稳定性和极佳的耐久性，使其能够检测到大关节运动和微小肌肉运动。

不对称创伤敷料的功能类似于人类皮肤，作为创伤与其直接环境之间的保护屏障。然而，在紧急止血和伤口愈合的应用背景下，水凝胶的坚固粘附和不对称粘附特性方面仍存在重大挑战。据此，中山大学张黎明成功合成了具有Janus不对称粘附特性的水凝胶贴片，称为HGO-C，完全由天然高分子组成。这一成就是通过对粘附性水凝胶（HGO）和非粘附性水凝胶（CGC）的组装实现的，从而整合了它们不同的功能。非粘附性水凝胶组分充当物理屏障，保护伤口免受污染，而粘附性水凝胶在与伤口表面接触时，牢固地粘附在伤口上，迅速止血并促进伤口愈合。细胞相容性测试、溶血测试、抗菌试验和凝血试验证明了HGO-C的卓越生物相容性、抗菌性和止血特性。最后，包括肝脏出血试验和伤口愈合试验在内的体内实验，明确显示了HGO-C的快速止血和增强伤口愈合能力。因此，这些由天然高分子衍生的、具有不对称粘附特性的独特水凝胶贴片，在临床患者的真实应用中可能具有巨大潜力。相关研究以“Novel Natural Polymer-Based Hydrogel Patches with Janus Asymmetric-Adhesion for Emergency Hemostasis and Wound Healing”为题发表在《Advanced Functional Materials》上。

妊娠期糖尿病(GDM)是指孕妇在妊娠期发生的糖耐受性异常。全球范围内，GDM威胁着大约14.2%孕妇的健康。GDM的早期筛查对于降低其发病率和改善母婴的健康尤为重要。对于GDM患者，通过监测血糖、体温、pH、血压、体重等生理指标，可以实现及时的干预与治疗。因此，有必要设计一种多功能器件，实现对孕妇血糖浓度、体温、创口环境pH值的灵敏、无创、便捷的一体化协同检测。有鉴于此，顾相伶教授研究团队依托新型药用辅料与缓控释制剂山东省工程研究中心，以聚乙烯醇(PVA)为第一网络，甲基纤维素(MC)、羟丙基纤维素(HPC)和羟丙基甲基纤维素（HPMC)三类改性纤维素为第二网络，分别制备了三种类型的双网络水凝胶，该工作设计了一种基于水凝胶的柔性皮肤贴片，通过分子设计优化其性能，可同时响应葡萄糖、温度、pH等多种刺激，集多种功能于一体，为GDM的一体化健康管理提供了一种新策略。

经测试发现，水凝胶的韧性(143.9kJcm-3、102.3kJcm-3、135.9kJcm-3)和电导率(0.69Sm-1、0.45Sm-1、0.51Sm-1)有显著差异，其中PB-MC双网络水凝胶具有最为突出的力学和电学性能。分子动力学模拟进一步揭示了PVA与纤维素醚之间氢键相互作用的本质。向凝胶中加入热致变色胶囊粉(TCPs)，获得可通过颜色变化精准指示体温的可视化皮肤贴片。通过电化学窗口跟踪TCPs@PB-MC水凝胶对葡萄糖、pH和温度的响应过程。相关研究以“Triple-Responsive, Multimodal, Visual Electronic Skin towards All-in-One Health Management on Gestational Diabetes Mellitus”为题发表在《ACS Sensors》上。

持续性氧化应激和细菌感染是阻碍糖尿病伤口愈合的重要挑战。通过结合诊断和治疗，可以实时监测伤口组织上的pH值变化，并及时进行精确治疗，以促进糖尿病伤口愈合。在本研究中，武汉理工大学戴红莲通过酰胺化反应构建了一种硫辛酸改性壳聚糖（LAMC）水凝胶，并且将采用水热法合成的碳量子点（CDs）以及具有聚多巴胺层的二氧化铈-二硫化钼纳米粒子（C@M@P）加载到水凝胶中，从而开发出一种诊断和治疗性水凝胶（LAMC/CD-C@M@P）。通过整合CDs，水凝胶在紫外光下展现出对pH值的高灵敏度和可逆性。此外，可以使用智能手机收集水凝胶的图像，并将其转换为伤口pH信号，为早期检测细菌感染提供了一种手段。值得注意的是，LAMC/CD-C@M@P水凝胶对金黄色葡萄球菌和大肠杆菌展现出卓越的光热抗菌能力，并且具有显著的抗氧化和抗炎能力，能够减轻活性氧种类并缓解炎症反应。总之，这种多功能水凝胶作为创新的伤口敷料平台，具有极大的潜力，代表了慢性伤口管理领域的重要进展。相关研究以“Constructing Nerve Guidance Conduit using dECM-Doped Conductive Hydrogel to Promote Peripheral Nerve Regeneration”为题发表在《Advanced Functional Materials》上。

生物材料在组织工程和植入医疗器械中发挥着越来越重要的作用。然而，外源生物材料可能触发宿主免疫系统对外来植入材料的免疫排异反应（foreign body reaction, FBR），导致严重炎症。炎症被认为是影响组织再生的一个关键因素。因此，地塞米松和肝素等抗炎药物被用于赋予生物材料免疫调节功能。然而，这些药物的使用往往导致不良反应和高昂的成本。 亚精胺（SPD）是一种最初在精液中发现的天然多胺。有报道称，不育男性精液中的亚精胺水平明显较低，因此，有人推测亚精胺可以调节女性免疫系统，保护“入侵者”精子，以利于受精 。此外，还有一些研究已经证明亚精胺具有更广泛的免疫调节功能，例如抗炎作用和提高抗肿瘤免疫。

受此启发，近日，吉林大学工程仿生教育部重点实验室的刘镇宁教授/王冰迪博士团队受生物活性小分子亚精胺免疫调节功能的启发，利用动态席夫碱反应和原位光引发聚合双重交联策略，开发了一种亚精胺功能化的双网络可注射水凝胶（DN-SPD）。 体外理化实验表明，DN-SPD水凝胶表现出良好的力学性能和组织黏附性，光交联前的单网络水凝胶（SN-SPD）具有优异的可注射性，可通过原位打印和光交联形成双网络水凝胶。体外生物学实验和3组动物体内实验结果表明，DN-SPD水凝胶具有良好的生物相容性、抗氧化性、低免疫原性和优异的免疫调控作用，能够减轻由外源性植入物和活性氧引起的炎症反应，调控巨噬细胞向抗炎、促再生的M2表型极化，从而实现更快和更自然的急性伤口和糖尿病伤口愈合，使皮肤恢复到更接近自然皮肤的状态。 相关研究以“Spermidine-Functionalized Injectable Hydrogel Reduces Inflammation and Enhances Healing of Acute and Diabetic Wounds In Situ”为题发表在 《Advanced Science 》上。

可穿戴设备在医疗保健、软机器人、人机交互、环境监测等领域有着广阔的应用前景。开发电子皮肤（e-skin）是实现仿生可穿戴设备的有效手段。 电子皮肤良好的透气性、高伸展性和选择性检测多种刺激的能力，能够提高长期佩戴的舒适性、检测精度和应用范围 。基于传统传感材料（如碳纳米材料、纳米线、金属纳米结构和导电聚合物）的电子皮肤已被广泛研究，但其拉伸性有限，透气性差，降低了佩戴舒适度、测量精度和设备可靠性。水凝胶具有固有的高拉伸性、多刺激响应性和生物相容性，是制造下一代电子皮肤的理想材料之一。然而，由于其具有多刺激响应性，在先进的电子皮肤系统（包括但不限于基于水凝胶的系统）中，不同种类的传感信号的串扰导致严重的信号读取误差，限制了其实际应用。 因此，亟需设计一种基于水凝胶的透气、可拉伸和自校准的多模态电子皮肤，以准确检测多刺激响应复合信息，用于新兴医疗保健领域 。

近年来在开发基于水凝胶的多模态电子皮肤方面取得了重要进展。然而，先前报道的基于水凝胶的电子皮肤要么无法同时检测多个刺激（应变、温度和湿度），要么无法分离混合刺激信号进行自校准的准确检测，导致严重的信号相互干扰，也限制了其在实际生活中的应用。有鉴于此，中山大学吴进副教授、南京工业大学霍峰蔚教授和四川大学张晟教授 设计了一种基于多种水凝胶微结构的透气、可拉伸和自校准的多模态电子皮肤 ，不仅可以检测多个刺激（应变、温度和湿度），还可以通过简单的策略实现应变/温度/湿度的自校准检测。此外，通过盐模板法制备了多孔弹性体薄膜，作为基底和封装层有效提升了器件的透气性，提高了佩戴舒适性，同时保持了高拉伸性。该电子皮肤表现出令人印象深刻的传感性能， 包括低应变检测限（0.03%）、应变线性度（R2=0.990）、高温度灵敏度（1.77%/ ℃ ）和宽湿度检测范围（33-98% RH） 。此外，通过将电子皮肤与无线电路集成，创建了富有个性的人机交互系统，用于简单的手势识别和温度监测。本工作为未来设计具有低成本、透气性、可拉伸性和自校准的多模态电子皮肤提供了思路。相关工作以“A Breathable, Stretchable, and Self-Calibrated Multimodal Electronic Skin Based on Hydrogel Microstructures for Wireless Wearables”为题发表在《 Advanced Functional Materials》 上。

随着人工智能与智慧医疗时代的到来，柔性可穿戴电子设备在生物电子、电子皮肤与诊疗一体化等领域激发了人们极大兴趣。作为一种备受欢迎的智能软材料，水凝胶被广泛应用于构建柔性生物电子产品，实现对人体生理-运动-语音等多模态信号的监测与识别。近年来，水凝胶柔性可穿戴电子器件得到了快速发展，在提高力学强度、拉伸性和韧性方面取得了巨大进步。然而，另一个至关重要的性能-低滞后性往往容易被人忽略，其能够保证变形柔性电子器件的快速完全恢复、降低疲劳性能，从而显著提高柔性电子器件的传感灵敏度、可靠性和耐用性；但是，同时获得高韧性和低滞后性这两个本征矛盾的特性确是一个棘手的问题。

近日，河南科技大学雷昆、李景华、胡志刚联合上海交通大学史坤明、中国人民解放军联勤保障部队第989医院常祺主任医师针对生理-运动-语音多模态信号监测与识别用可穿戴水凝胶传感器的力学性能、粘附性能、导电性能与传感性能难以兼顾问题，基于自然仿生策略，利用氢键-静电-链缠结三者协同作用构建一种兼具高强度、高韧性与低滞后性的导电粘附水凝胶材料，实现其对生理-运动-语音多源信号的实时、高效监测与识别。系统研究氢键单元、静电单元、缠结单元含量对水凝胶力学性能的影响规律；揭示氢键单元、导电单元对水凝胶粘附特性与导电性能的调控机制；阐释水凝胶高强、高韧、低滞后、强粘附性能对其传感灵敏性、稳定性与可靠性的作用机理；该研究为开发用于柔性传感、仿生皮肤与人机交互等领域的新型软材料，实现多模态信号监测与识别用柔性可穿戴传感器件的构建提供理论依据与全新视角。相关研究以“Fully Polymeric Conductive Hydrogels with Low Hysteresis and High Toughness as Multi-Responsive and Self-Powered Wearable Sensors”为题发表在国际著名期刊《Advanced Functional Materials》（中科院SCI 1区，IF=19.3，TOP期刊）上（DOI: 10.1002/adfm.202316346）。

图文：基于低滞、高韧全聚合物导电水凝胶的自供电柔性可穿戴传感器。

动态共价键水凝胶由于其固有的动态可逆性，在伤口敷料、药物输送、生物传感器等生物医学领域得到了广泛的应用。其中，亚胺键是动态共价键中最突出的类型之一，其特点是具有极强的可逆性和动态性。然而，受孤对电子的电子离域和负诱导效应的影响，亚胺键稳定性低，极大地限制了亚胺键水凝胶的应用。目前提高亚胺键稳定性的方法，在一定程度上会导致亚胺键的动态 “锁定”，从而降低了水凝胶的动态性。因此，亚胺键水凝胶在应用中存在着稳定性与动态性的矛盾问题。近期，武汉理工大学戴红莲教授团队通过引入小分子催化剂磺胺嘧啶银（AgSD），构建了一种基于亚胺键交联并在同一交联链上引入二硫键的水凝胶网络。其中，AgSD可以加速水凝胶中亚胺键的形成，增强了水凝胶在特定时间范围内的稳定性。同时，AgSD中的银离子可以与同一交联链上的二硫键形成Ag-S配位，增强了水凝胶的动态性，从而巧妙地解决了亚胺键水凝胶稳定性与动态性的矛盾。值得注意的是，AgSD作为抗菌药物还赋予了水凝胶显著的杀菌能力，有效促进了细菌感染创面的愈合。相关工作以“One stone three birds: silver sulfadiazine modulates the stability and dynamics of hydrogels for infected wound healing”为题发表在《Advanced Healthcare Materials》上。

图1 OHAC水凝胶的制备及AgSD的一石三鸟策略

来源：材料化学快讯