《Adv. Sci.》中山大学张迪：纤维性水凝胶的研究进展：性能、应用与展望的综述

纤维水凝胶（FGs）以预制纤维、原纤维和聚合物材料制成的三维网络结构为特征，已成为许多领域的重要材料。然而，平衡机械性能和功能的挑战阻碍了它们的进一步发展。

2024年11月12日，中山大学张迪，周口师范学院靳林，西安交通大学杨哲共同通讯在Advanced Science 在线发表题为“Recent Development of Fibrous Hydrogels: Properties, Applications and Perspectives”的研究综述。该综述阐述了FGs的主要优点，包括增强的机械性能、高导电性、高抗菌和抗炎性能、刺激反应性和细胞外基质（ECM）样结构。

综述讨论了组装方法的影响，如纤维交联、纤维与水凝胶基质的界面处理和超分子组装，对纤维纤维的各种功能。还讨论了提高上述五个方面性能的机制，如创造离子载体通道以实现电导率，药物的原位凝胶化以增强抗菌和抗炎性能，以及纤维之间的缠结和疏水相互作用，从而产生类似ECM的结构纤维。此外，综述了基于优化性能的协同效应的FGs在传感器、敷料和组织支架中的应用。最后，讨论了光纤光栅面临的挑战和未来的应用，为前沿光纤光栅的设计和应用提供了理论基础和新的见解。

纤维水凝胶（FGs）是由预制纤维、原纤维和聚合物形成的弹性材料，通过物理缠结或化学交联形成3D网络结构。它们表现出与生物组织的高相容性和优异的多功能性。内部纤维结构增强柔韧性、弹性拉伸、抗肿胀，促进细胞粘附、增殖、分化、迁移和信号转导。因此，它们已成为理想的下一代仿生材料。在过去的十年中，FGs经历了快速发展。FGs的设计方法已经从简单的组装发展到多功能。应用领域已从体外细胞培养环境扩展到脊髓、肌腱、骨骼和心脏等各个领域。纤维纤维结合了纤维和水凝胶的优点，在许多领域成为突出的材料。

通过改变纤维或水凝胶的组成和结构，并采用独特的制造技术，如纺丝、3D打印和微流控纺丝。FGs具有高机械性能、优越的导电性、强大的抗菌和抗炎性能、智能响应能力和类似ECM的结构等优点。目前，具有高机械性能的FGs抗压强度高达556.6 MPa，伸长率高达44200%，超薄厚度约为3.4 μm。FGs的高导电性缓解了机械性能和抗故障性之间的权衡，其导电性可达247 Scm−1。FGs具有强大的抗菌和抗炎特性，在大型哺乳动物研究中显著提高了按需药物释放和数据模型的精度。智能反应FGs可以模仿生物有机体的刺激-反应机制，从而使材料的设计能够感知和响应环境。具有类似ECM结构的FGs可以模拟和重建ECM的结构和功能，有效地传递生物物理和生化特性，以促进细胞-基质相互作用的研究。由于这些优点，FGs在传感器、组织支架和伤口敷料方面的应用潜力巨大。

纤维状水凝胶的调节特性及应用示意图（图源自Advanced Science ）

近年来，随着研究兴趣的增加，对石墨烯的制备和应用也发表了一些综述。例如导电水凝胶纤维的制备及其在柔性电子中的应用，层状仿生FG的设计策略，以及电纺纤维水凝胶在组织工程（如血管、神经和器官组织）中的应用。总结和分析FGs的最新性能改进策略和应用将有助于研究人员更全面地了解这一领域。综述从力学性能、电导率、抗菌和抗炎性能、智能响应和ECM结构五个方面综述了FGs的性能调控策略，还总结了不同的应用领域，如传感器、伤口敷料、组织支架和水净化。

综述探讨了三种改善纤维纤维力学性能的策略：共价交联、增强纤维网络密度、改变纤维排列和原位诱导分层结构。随后，讨论了三种提高FGs导电性的方法：将导电填料组装成3D网络，创建离子传输通道和构建水凝胶纤维。阐明了增强纤维抗菌和抗炎性能的方法，包括纤维内嵌入药物和外源纤维原位凝胶化药物。从单路径和多路径两方面分析了FGs的智能刺激反应特征。通过预制纤维与聚合物的交联、纤维与水凝胶的界面重组、分子修饰与组装、肽纤维与聚合物的直接交联等四种方法，可以在纤维纤维中构建类ECM结构。基于优化后的五种纤维材料的协同效应，进一步总结了纤维材料在传感器、敷料、组织支架和水净化等领域的应用突破。最后，对多功能光纤光栅当前面临的挑战和未来的发展趋势进行了概述和展望。因此，综述提供了对设计具有最佳性能的光纤光栅所需原则的基本理解，并为光纤光栅的未来应用提供了新的见解。

参考消息：

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/advs.202408657

来源：iNature