神奇的水凝胶！

来源：高分子物理学

神奇的水凝胶

1、什么是水凝胶？

说起水凝胶，

大家可能比较陌生。

但实际上，

它在我们日常生活中随处可见！！！

简单来说，水凝胶（Hydrogel）是由亲水性聚合物链通过化学或物理交联而形成的三维网络。它可以充分吸水而不溶于水，自身显著溶胀的同时仍保持其原有的三维结构。水凝胶含有大量的水（可达90%），质地柔软，性状可变，物理性质与生物组织类似，具有优异的生物相容性，可负载不同材料，包容性极强，同时其力学性质可调，是一类优秀的生物材料。

水凝胶的结构图像

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水凝胶的分类

水凝胶有多种分类方式。根据材料来源可分为天然水凝胶（如透明质酸、胶原蛋白、海藻酸钠等）和人工合成水凝胶（如聚丙烯酰胺、聚乙二醇等）。人体的许多组织（如肌肉、角膜、血管等）都可以归为天然水凝胶，这也就使得水凝胶在生物医学、人体组织方面有巨大的应用潜力

《Matter》封面：“Germanene-Based Theranostic Materials for Surgical Adjuvant Treatment: Inhibiting Tumor Recurrence and Wound Infection”

水凝胶的交联：

A-D物理交联；E 化学交联；A聚合物链的热诱导纠缠 B分子自组装 C离子凝胶 D静电相互作用

根据环境响应情况可分为传统水凝胶和智能水凝胶。智能水凝胶可根据外界环境的刺激（如温度、pH、酶、磁场等）表现出不同的溶胀行为，；而传统水凝胶则不具备这种能力。智能水凝胶的环境响应以及柔软可变的形态，通过外界刺激能使其在电子皮肤、柔性传感领域有着巨大的应用潜力

可见热失控/充电/放电过程的智能超级电容器示意图；

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水凝胶的应用

水凝胶生物相容性、生物可降解性、高吸水、保水的特性使其广泛适用于环境工程、柔性传感、电化学等许多领域，尤其是生物医学领域，包括组织工程、药物输送系统、伤口敷料、生物传感器、隐形眼镜、人工细胞等，有着广泛的应用。

例如，水凝胶的三维结构与许多组织的细胞外基质类似，而在组织工程中，特定的细胞需要在合适的支架上培养为相应的器官，此时的水凝胶就是一种理想的支架材料。

由于糖尿病创面愈合过程中存在细菌感染、氧化损伤和血管生成障碍等风险，目前临床治疗方法仍不尽如人意。在此，温州医科大沈建良开发了一种由多糖基质(季铵化壳聚糖和氧化β-葡聚糖)和聚多巴胺纳米颗粒组成的一体化原位注射水凝胶(QOP)，可实现糖尿病创面的有序治疗。首先，通过简单的局部注射，建立覆盖伤口的保护性水凝胶屏障，实现快速止血和中和炎症细胞因子。因此，QOP具有良好的近红外热转换和清除活性氧能力，有助于清除细菌和调节氧化状态，从而加速伤口从炎症向增殖的相变。

此外，QOP具有天然材料构建块的三维网络结构，可以作为理想的储层，为细胞提供机械和营养支持，从而促进细胞黏附、迁移、增殖，并在组织重塑中促进血管生成。最后，QOP敷料在达到所需功能后，可被机体完全吸收。这些体外和体内的数据表明，QOP水凝胶可以加速糖尿病创面的修复，为糖尿病创面的愈合提供了一种有前景的治疗策略。

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总结

水凝胶作为新型功能材料，具有高吸水保水性、生物相容性好、柔韧等特点，通过不同材料的选择以及改性、复合等手段赋予其特定性能如自愈合性、环境响应特性等。因此，关于水凝胶的研究数不胜数。同时水凝胶及其衍生物在各个领域应用越来越广泛，其研究价值绝不仅限于此，这也是其大火的原因。

但水凝胶材料存在力学性能较低、组织粘附力弱等不足。如何改善不足，提高其性能，拓展水凝胶在更多领域的应用，还需要科研工作者们共同努力！

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参考文献

【1】《Advanced Nanocomposite Hydrogels for Cartilage Tissue Engineering》

【2】《Advances in engineering hydrogels》

【3】《pulsatile release platform based onphoto-induced imine-crosslinking hydrogel promotes scarless wound healing》