前沿2023：水凝胶3月十大科研突破！

【DT新材料】获悉，水凝胶是一种含有大量水的三维网络结构，其普遍存在于生物体系中，目前基于多种材料的水凝胶体系被不断开发出来，基于其柔性、生物相容性等独特性质，在电学器件、传感器以及生物医学等诸多领域中得到广泛的研究和应用。

本文回顾整理了近期在Science, Nature 等国际顶级期刊发表的10项有代表性的水凝胶相关工作内容。

1.“An Integrally Formed Janus Hydrogel for Robust Wet-tissue Adhesive and Anti-postoperative Adhesion”《一种快捷构筑具有不对称粘附的Janus水凝胶的通用策略》

DOI: 10.1002/adma.202300394

近日，华南农业大学生物质工程研究院刘珍珍教授课题组提出了一种快捷构筑具有不对称粘附的Janus水凝胶的通用策略，通过调控水凝胶内部乳液液滴的自组装行为及其上下表面分布，首次利用一步法制备了不对称粘附的湿表面生物粘合剂MAH水凝胶。实验结果表明，在600rpm低转速下，由疏水性单体和表面活性剂组成的较大的乳液液滴，主要分布于水凝胶的上表面，促使更多的-COOH基团在下表面富集，形成了上表面疏水下表面亲水的不对称结构。水凝胶下表面在物理/化学作用共同影响下，实现对湿组织表面的高强快速粘附，水凝胶上下表面的组织粘附强度差高达20。兔子胃穿孔修复实验结果证明，MAH水凝胶不仅牢牢地粘附在胃部组织伤口促进愈合，而且可以有效地防止术后粘连，在体内组织伤口修复方面应用潜力巨大。

2.“Toughening Double Network Hydrogels by Polyelectrolytes”《聚电解质增韧双网水凝胶》

DOI: 10.1002/adma.202301551

近日，西安交大成一龙研究员课题组首次发现聚电解质可以通过霍夫迈斯特效应增强双网络水凝胶。与聚丙烯酸（PAA）相比，在聚乙烯醇（PVA）水凝胶中引入阴离子聚丙烯酸钠（P(iAA)）可以显著提高水凝胶的机械性能。所制备的PVA10/P(iAA)15水凝胶的拉伸强度、压缩强度、杨氏模量、韧性和断裂能分别为PVA10/PAA15水凝胶的73倍、64倍、28倍、135倍和19倍。

通过实验阐明了聚电解质的霍夫迈斯特效应对水凝胶机械性能的增强机制：与可能干扰PVA链间氢键形成的PAA相比，P(iAA)中的羧酸根离子可以极化PVA周围的水合分子，诱导PVA聚集形成结晶，作为水凝胶网络中的有效交联点，从而显著提高PVA10/P(iAA)15水凝胶的力学性能。

3.“A polymeric hydrogel electrocatalyst for direct water oxidation”《一类聚合物聚丙烯酸钠（PANa）水凝胶可直接用作OER电催化剂》

DOI: 10.1038/s41467-023-36532-x

近日，悉尼大学裴增夏博士，赵慎龙博士，与波多黎各大学陈中方教授合作报道了一类聚合物聚丙烯酸钠（PANa）水凝胶可直接用作OER电催化剂 。作者结合理论计算，电化学测试，原位光谱表征以及同位素标记对比，证实了PANa凝胶中的带正电荷的羧酸根碳原子具有意想不到的本征OER活性，同时作者还首次观测到了metal-free电催化剂在OER 中超氧化物关键中间体的光谱证据。

优化后的PANa基电催化剂在碱性电解液中表现出优异的OER催化性能，表观10mAcm-2OER电流过电势低至316mV，Tafel斜率仅为42mV dec−1，与基准IrO2催化剂相当；其在350mV过电势下的本征转换频率达到了1.65×10-2 s-1, 亦与商用IrO2（5.18×10-2 s-1）处于同一数量级。另外，该类凝胶基复合电极的制备简单（无需热解），可加工型强，成本低廉，且在不同基底上和不同pH环境下都具有OER 性能。考虑到水凝胶骨架丰富且可调控的化学结构，该研究有望通过展示一类具有巨大应用潜力的聚合物凝胶剂电催化剂从而拓展metal-free电催化剂的范畴。

4.“A self-healing electrically conductive organogel composite”《一种自修复导电有机凝胶复合材料》

https://www.nature.com/articles/s41928-023-00932-0

来自卡内基梅隆大学的Carmel Majidi教授制备了一种可自修复的导电有机凝胶复合材料。它具有7×104 S·m-1的高导电率、快速高效的自修复能力以及理想的机械性能。此外，通过使用乙二醇（EG）代替水作为溶剂，赋予了该有机凝胶抗干燥能力。该导电有机凝胶有望在可重构柔性电路和用于肌电图(EMG)传感的可重构生物电极中使用。

其基于聚乙烯醇-硼酸钠的有机凝胶复合材料具备的高导电性、低刚度、高拉伸性以及机械和电性能自修复能力，有望应用于软体机器人和柔性电子设备等领域。

5.“A Facile and Versatile Approach to Construct Photoactivated Peptide Hydrogels by Regulating Electrostatic Repulsion”《一种通过调节静电斥力来构建光激活多肽水凝胶的简单和通用策略》

DOI: 10.1021/acsnano.2c10896

近日，华东理工大学化学与分子工程学院包春燕教授课题组提出了一种通过调节静电斥力来构建光激活多肽水凝胶的简单和通用策略，以实现对多肽超分子水凝胶形状、机械性能的精准控制，并将其进一步应用于人工细胞外基质（ECM），实现细胞二维/三维培养和行为调控。

该多肽凝胶策略的核心是设计一种具有高聚集倾向的多肽凝胶因子和电荷排斥多肽片段，将它们通过2-硝基苄基光裂解基团连接起来。电荷斥力的存在使多肽分子难以在水溶液中组装成有序结构而呈现溶液态；在施加紫外光照后，电荷斥力部分随光响应分子裂解而被移除，继而触发生成的凝胶因子组装并形成超分子水凝胶，快速的溶胶-凝胶转化使水凝胶的形成和机械性能具有时空可控性。

本文报告了一种构建时空可控光激活多肽超分子水凝胶的设计策略。光照前，由于分子间电荷斥力的存在，多肽分子表现出良好的溶解性；光照后，电荷斥力的移除激活多肽凝胶因子的聚集组装，其高聚集倾向作用促使水凝胶快速形成，从而实现光的时空可控构筑。光的空间可控性可实现水凝胶形状的精确编程并定位细胞的生长，光的时间可控性可实现水凝胶机械强度的调节并介导相应细胞行为。这项研究为开发智能多肽自组装水凝胶提供了新策略，也为拓宽其在细胞生物学和组织工程中的应用提供了研究基础。

6.“Wide Humidity Range Applicable, Anti-Freezing and Healable Zwitterionic Hydrogels for Ion-Leakage-Free Iontronic Sensors”《在较宽的湿度范围下，solketal水凝胶的水含量和机械性能稳定性方面优于最常用的溶剂》

DOI: 10.1002/adma.202211617

北京大学深圳研究生院孟鸿课题组研究了在內盐型DMAPS水凝胶中加入了一种绿色溶剂——丙酮缩甘油（solketal），在较宽的湿度范围下，solketal水凝胶的水含量和机械性能稳定性方面优于最常用的溶剂--甘油。

此外，得益于solketal的存在，一种疏水性的低聚物液体（PPG）可以被引入，以进一步改变水凝胶的特性。所得的水凝胶在湿度为30%至90%RH和温度为-20至40°C的范围内实现了约2000%的断裂应变，并具有良好的自愈性。

利用水凝胶中的两性离子基团和稳定的水含量，优化后的水凝胶被用作电介质层来构建一个离子型压力传感器。实现了无泄漏离子、高灵敏度（>1100 kPa-1）、广泛的湿度和温度适用性。通过将水凝胶基底与Ag@poly(DMAPS)浆料相结合，得到宽湿度的可愈合和可拉伸电极。将高性能的电极和电介质层整合在一起，开发了一个全器件可愈合的高灵敏度传感器。

7.“Infected Diabetic Wound Regeneration Using Peptide-Modified Chiral Dressing to Target Revascularization”《使用肽修饰水凝胶进行糖尿病伤口再生，以靶向再上皮化》

DOI: 10.1073/pnas.1612277113

上海交通大学材料科学与工程院学院冯传良教授/窦晓秋副教授，上海交通大学医学院方勇教授，上海交通大学附属第九人民医院烧伤科彭银波研究员受AGEs上存在的多个手性位点的启发，赋予创面敷料丰富的手性结构特征，通过AGEs与创面敷料上手性位点的立体选择性相互作用来增加敷料对AGEs的原位吸附。

这种肽修饰手性凝胶敷料为感染性糖尿病创面愈合提供了一种有前景的治疗方法。由于在糖尿病并发症的治疗中血管再生的重要性，这种手性生物医学材料可能在糖尿病并发症治疗中发挥广泛的作用，如周围神经病变和周围动脉疾病。

8.“Tough Hydrogel Electrolytes for Anti-Freezing Zinc-Ion Batteries”《高强度防冻锌电池水凝胶电解质》

DOI: 10.1002/adma.202211673

加州大学洛杉矶分校的贺曦敏教授课题组采用聚合物混合溶剂的共非溶效应和抗冻盐溶液的盐析效应，成功开发出一种无机有机溶剂、高强度、抗冻、高质量传输的水凝胶电解质。

柔性水性电池因其固有的安全性和成本效益而被认为是未来软性电子设备的理想选择，但由于其在温度耐受和抗冲击方面的局限性，这些因素对于确保电池稳定运行至关重要。在这项工作中，通过共同利用共非溶和“盐析”效应与KAc/ZnAc2溶液，提出了一种制备具有抗冻性、高机械稳定性、增强质量传输并抑制树突和副反应的水凝胶电解质的方法。用这种水凝胶电解质制成的准固态抗冻电池在-20°C下以2 A g-1的速率进行超过30,000次循环，具有超高的容量保持，并能承受锤子的反复冲击或汽车碾压。

遵循这一策略，这个平台可以扩展到其他盐和过程，以实现更广泛类型的电池系统。这项工作可能会拓宽软性电子设备的应用条件，并为下一代柔性电池提供一种新颖方法。

9.“Ferroelectricity in layered bismuth oxide down to 1 nanometer”《低至1 nm，层状氧化铋仍然具有铁电性》

DOI: 10.1126/science.abm5134

北京科技大学张林兴教授、田建军教授联合北京工业大学卢岳教授设计了一种具有氧化铋分层结构的薄膜，可以通过钐的束缚将铁电状态稳定到1 nm。

研究中所设计的氧化铋薄膜，是一种可在各种衬底上并且成本有效的化学溶液。在此基础上，实现过程中观测到了一条标准的铁电电滞回线，其厚度约1纳米到4.56 纳米，其剩余极化相当大，从17到50微库仑/平方厘米。根据实验，可以利用第一性原理方法对其进行了理论计算分析，并确定了该铁电薄膜材料是一种孤电子对驱动lone pair–driven铁电材料。

10.“Hydrogel Nanoarchitectonics of a Flexible and Self-adhesive Electrode for Long-term Wireless Electroencephalogram Recording and High-accuracy Sustained Attention Evaluation”《多功能水凝胶传感界面，实现脑电信号高质量无创采集》

DOI: 10.1002/adma.202209606

近期，中国科学院过程工程研究所白硕研究员、闫学海研究员和王安河副研究员联合清华大学张沕琳副教授提出了采用多功能水凝胶传感界面的策略来解决无创采集高质量脑电信号的问题。通过多功能纳米颗粒增强效应和均质网络效应同时构建导电性、粘附性、柔性、弹性、生物兼容性和透明性俱佳的水凝胶体系，用于建立人体组织和电极之间高效稳定的传感界面，从而实现直接从人体表面采集到高质量的脑电信号。

基于该水凝胶的多通道电极轻巧便携，具有在线信号分析、无线信号传输的能力，且稳定性优异。进一步通过算法将采集到的脑电信号转化为注意力水平并可从低到高细分为7个等级，各等级平均预测准确度可达91.5%。

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