【DT新材料】獲悉，水凝膠是一種含有大量水的三維網絡結構，其普遍存在于生物體系中，目前基于多種材料的水凝膠體系被不斷開發出來，基于其柔性、生物相容性等獨特性質，在電學器件、傳感器以及生物醫學等諸多領域中得到廣泛的研究和應用。
本文回顧整理了近期在Science, Nature 等國際頂級期刊發表的10項有代表性的水凝膠相關工作内容。
1.“An Integrally Formed Janus Hydrogel for Robust Wet-tissue Adhesive and Anti-postoperative Adhesion”《一種快捷構築具有不對稱粘附的Janus水凝膠的通用政策》
DOI: 10.1002/adma.202300394
近日，華南農業大學生物質工程研究院劉珍珍教授課題組提出了一種快捷構築具有不對稱粘附的Janus水凝膠的通用政策，通過調控水凝膠内部乳液液滴的自組裝行為及其上下表面分布，首次利用一步法制備了不對稱粘附的濕表面生物粘合劑MAH水凝膠。實驗結果表明，在600rpm低轉速下，由疏水性單體和表面活性劑組成的較大的乳液液滴，主要分布于水凝膠的上表面，促使更多的-COOH基團在下表面富集，形成了上表面疏水下表面親水的不對稱結構。水凝膠下表面在實體/化學作用共同影響下，實作對濕組織表面的高強快速粘附，水凝膠上下表面的組織粘附強度差高達20。兔子胃穿孔修複實驗結果證明，。
2.“Toughening Double Network Hydrogels by Polyelectrolytes”《聚電解質增韌雙網水凝膠》
DOI: 10.1002/adma.202301551
近日，西安交大成一龍研究員課題組首次發現。與聚丙烯酸（PAA）相比，在聚乙烯醇（PVA）水凝膠中引入陰離子聚丙烯酸鈉（P(iAA)）可以顯著提高水凝膠的機械性能。所制備的PVA10/P(iAA)15水凝膠的拉伸強度、壓縮強度、楊氏模量、韌性和斷裂能分别為PVA10/PAA15水凝膠的73倍、64倍、28倍、135倍和19倍。
通過實驗闡明了聚電解質的霍夫邁斯特效應對水凝膠機械性能的增強機制：與可能幹擾PVA鍊間氫鍵形成的PAA相比，。
3.“A polymeric hydrogel electrocatalyst for direct water oxidation”《一類聚合物聚丙烯酸鈉（PANa）水凝膠可直接用作OER電催化劑》
DOI: 10.1038/s41467-023-36532-x
近日，悉尼大學裴增夏博士，趙慎龍博士，與波多黎各大學陳中方教授合作報道了一類聚合物聚丙烯酸鈉（PANa）水凝膠可直接用作OER電催化劑 。作者結合理論計算，電化學測試，原位光譜表征以及同位素标記對比，證明了，同時作者還首次觀測到了metal-free電催化劑在OER 中超氧化物關鍵中間體的光譜證據。
優化後的PANa基電催化劑在堿性電解液中表現出優異的OER催化性能，表觀10mAcm-2OER電流過電勢低至316mV，Tafel斜率僅為42mV dec−1，與基準IrO2催化劑相當；其在350mV過電勢下的本征轉換頻率達到了1.65×10-2 s-1, 亦與商用IrO2（5.18×10-2 s-1）處于同一數量級。另外，該類凝膠基複合電極的制備簡單（無需熱解），可加工型強，成本低廉，且在不同基底上和不同pH環境下都具有OER 性能。考慮到水凝膠骨架豐富且可調控的化學結構，該研究有望。
4.“A self-healing electrically conductive organogel composite”《一種自修複導電有機凝膠複合材料》
https://www.nature.com/articles/s41928-023-00932-0
來自卡内基梅隆大學的Carmel Majidi教授制備了一種可自修複的導電有機凝膠複合材料。它具有7×104 S·m-1的高導電率、快速高效的自修複能力以及理想的機械性能。此外，通過使用乙二醇（EG）代替水作為溶劑，賦予了該有機凝膠抗幹燥能力。該導電有機凝膠有望在可重構柔性電路和用于肌電圖(EMG)傳感的可重構生物電極中使用。
其基于聚乙烯醇-硼酸鈉的有機凝膠複合材料具備的高導電性、低剛度、高拉伸性以及機械和電性能自修複能力，有望應用于。
5.“A Facile and Versatile Approach to Construct Photoactivated Peptide Hydrogels by Regulating Electrostatic Repulsion”《一種通過調節靜電斥力來建構光激活多肽水凝膠的簡單和通用政策》
DOI: 10.1021/acsnano.2c10896
近日，華東理工大學化學與分子工程學院包春燕教授課題組提出了一種通過調節靜電斥力來建構光激活多肽水凝膠的簡單和通用政策，以實作對多肽超分子水凝膠形狀、機械性能的精準控制，并将其進一步應用于人工細胞外基質（ECM），實作細胞二維/三維培養和行為調控。
該多肽凝膠政策的核心是設計一種，将它們通過2-硝基苄基光裂解基團連接配接起來。電荷斥力的存在使多肽分子難以在水溶液中組裝成有序結構而呈現溶液态；在施加紫外光照後，電荷斥力部分随光響應分子裂解而被移除，繼而觸發生成的凝膠因子組裝并形成超分子水凝膠，快速的溶膠-凝膠轉化使水凝膠的形成和機械性能具有時空可控性。
本文報告了一種。光照前，由于分子間電荷斥力的存在，多肽分子表現出良好的溶解性；光照後，電荷斥力的移除激活多肽凝膠因子的聚集組裝，其高聚集傾向作用促使水凝膠快速形成，進而實作光的時空可控構築。光的空間可控性可實作水凝膠形狀的精确程式設計并定位細胞的生長，光的時間可控性可實作水凝膠機械強度的調節并介導相應細胞行為。
6.“Wide Humidity Range Applicable, Anti-Freezing and Healable Zwitterionic Hydrogels for Ion-Leakage-Free Iontronic Sensors”《在較寬的濕度範圍下，solketal水凝膠的水含量和機械性能穩定性方面優于最常用的溶劑》
DOI: 10.1002/adma.202211617
北京大學深圳研究所學生院孟鴻課題組研究了在內鹽型DMAPS水凝膠中加入了一種綠色溶劑——丙酮縮甘油（solketal），在較寬的濕度範圍下，solketal水凝膠的優于最常用的溶劑--甘油。
此外，得益于solketal的存在，一種可以被引入，以進一步改變水凝膠的特性。所得的水凝膠在濕度為30%至90%RH和溫度為-20至40°C的範圍内實作了約2000%的斷裂應變，并具有良好的自愈性。
利用水凝膠中的兩性離子基團和穩定的水含量，優化後的水凝膠被用作電媒體層來建構一個離子型壓力傳感器。實作了無洩漏離子、高靈敏度（>1100 kPa-1）、廣泛的濕度和溫度适用性。通過将水凝膠基底與Ag@poly(DMAPS)漿料相結合，得到寬濕度的可愈合和可拉伸電極。将高性能的電極和電媒體層整合在一起，開發了一個。
7.“Infected Diabetic Wound Regeneration Using Peptide-Modified Chiral Dressing to Target Revascularization”《使用肽修飾水凝膠進行糖尿病傷口再生，以靶向再上皮化》
DOI: 10.1073/pnas.1612277113
上海交通大學材料科學與工程院學院馮傳良教授/窦曉秋副教授，上海交通大學醫學院方勇教授，上海交通大學附屬第九人民醫院燒傷科彭銀波研究員受AGEs上存在的多個手性位點的啟發，賦予傷口敷料豐富的手性結構特征，通過AGEs與傷口敷料上手性位點的立體選擇性互相作用來增加敷料對AGEs的原位吸附。
這種肽修飾手性凝膠敷料為提供了一種有前景的治療方法。由于在糖尿病并發症的治療中血管再生的重要性，這種手性生物醫學材料可能在糖尿病并發症治療中發揮廣泛的作用，如周圍神經病變和周圍動脈疾病。
8.“Tough Hydrogel Electrolytes for Anti-Freezing Zinc-Ion Batteries”《高強度防凍鋅電池水凝膠電解質》
DOI: 10.1002/adma.202211673
加州大學洛杉矶分校的賀曦敏教授課題組采用聚合物混合溶劑的共非溶效應和抗凍鹽溶液的鹽析效應，成功開發出一種的水凝膠電解質。
柔性水性電池因其固有的安全性和成本效益而被認為是未來軟性電子裝置的理想選擇，但由于其在溫度耐受和抗沖擊方面的局限性，這些因素對于確定電池穩定運作至關重要。在這項工作中，通過共同利用，提出了一種制備具有抗凍性、高機械穩定性、增強品質傳輸并抑制樹突和副反應的水凝膠電解質的方法。用這種水凝膠電解質制成的準固态抗凍電池在-20°C下以2 A g-1的速率進行超過30,000次循環，具有超高的容量保持，并能承受錘子的反複沖擊或汽車碾壓。
遵循這一政策，這個平台可以擴充到其他鹽和過程，以實作更廣泛類型的電池系統。這項工作可能會拓寬軟性電子裝置的應用條件，并為下一代柔性電池提供一種新穎方法。
9.“Ferroelectricity in layered bismuth oxide down to 1 nanometer”《低至1 nm，層狀氧化铋仍然具有鐵電性》
DOI: 10.1126/science.abm5134
北京科技大學張林興教授、田建軍教授聯合北京工業大學盧嶽教授設計了一種具有氧化铋分層結構的薄膜，可以通過钐的束縛将鐵電狀态穩定到1 nm。
研究中所設計的氧化铋薄膜，是一種的化學溶液。在此基礎上，實作過程中觀測到了一條标準的鐵電電滞回線，其厚度約1納米到4.56 納米，其剩餘極化相當大，從17到50微庫侖/平方厘米。根據實驗，可以利用第一性原理方法對其進行了理論計算分析，并确定了該鐵電薄膜材料是一種孤電子對驅動lone pair–driven鐵電材料。
10.“Hydrogel Nanoarchitectonics of a Flexible and Self-adhesive Electrode for Long-term Wireless Electroencephalogram Recording and High-accuracy Sustained Attention Evaluation”《多功能水凝膠傳感界面，實作腦電信号高品質無創采集》
DOI: 10.1002/adma.202209606
近期，中國科學院過程工程研究所白碩研究員、闫學海研究員和王安河副研究員聯合清華大學張沕琳副教授提出了采用多功能水凝膠傳感界面的政策來解決無創采集高品質腦電信号的問題。通過多功能納米顆粒增強效應和均質網絡效應同時建構導電性、粘附性、柔性、彈性、生物相容性和透明性俱佳的水凝膠體系，用于建立人體組織和電極之間高效穩定的傳感界面，進而實作直接從人體表面采集到高品質的腦電信号。
基于該水凝膠的多通道電極輕巧便攜，具有線上信号分析、無線信号傳輸的能力，且穩定性優異。進一步通過算法将采集到的腦電信号轉化為注意力水準并可從低到高細分為7個等級，各等級平均預測準确度可達。
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