超熱門材料具備什么魔力——帶你了解近期水凝膠的最新成果
水凝膠（Hydrogel）是一類極為親水的三維網絡結構凝膠，它在水中迅速溶脹并在此溶脹狀態可以保持大量體積的水而不溶解。水凝膠已廣泛用于與生物有機體緊密相互作用的應用中，例如組織工程，藥物輸送和生物學研究。最近，由于其優異的柔軟性，濕潤性，響應性，生物相容性和生物活性，人們對水凝膠在包括傳感器，致動器，涂層，光學，電子和集水器在內的設備和機器中的多功能性進行了深入研究。探索水凝膠的最新動態，將使得科學研究可以更進一步，接下來帶領大家解讀發在頂刊最新的水凝膠的研究。
1. 韓國蔚山科學技術院Chaenyung?Cha（Biomaterials）：協同控制3D生物活性水凝膠平臺的力學和微結構，以促進工程肝組織的再生潛
組織工程學被廣泛認為是一種新的醫學范式，旨在通過應用各種工程學方法培養具有治療潛力和能力的細胞來形成功能組織，從而在一種材料中形成組織結構以發揮其最佳生長和功能。為了成功工程化組織的功能，有必要找到用于特定類型的組織的細胞來源，而且還提供一個合適的微環境，以優化增長和最大化細胞功能潛力。因此，組織工程需要生物學，化學，材料科學等不同學科的共同努力才能實現最終目標。在生物活性支架內培養具有治療潛力的自體細胞以誘導功能性組織形成被認為是實現患者特異性再生醫學的理想方法。為此，水凝膠通常被用作支架材料，主要是因為它們具有可調節的機械和擴散特性以及呈現出細胞反應性部分。
韓國蔚山科學技術院Chaenyung?Cha采用了兩種策略來控制水凝膠的物理力學性能和微體系結構，以使工程肝組織的功效最大化。首先，具有可調節程度的反應性官能團的親水性聚合物交聯劑被用于在寬范圍內控制機械性能，同時使擴散性能的變化最小。第二，利用光刻技術將微通道引入水凝膠，以克服水凝膠的臨界擴散極限。通過對組織收集的成纖維細胞進行直接重編程而獲得的肝祖細胞進行封裝，這種策略以組合方式控制水凝膠的力學，擴散和結構的應用優化其肝功能。最后通過使用體內急性肝損傷模型進一步證明了該工程肝組織的再生能力。
參考文獻：Kim S, Park MR, Choi C, Kim JB and Cha C. Synergistic control of mechanics and microarchitecture of 3D bioactive hydrogel platform to promote the regenerative potential of engineered hepatic tissue. Biomaterials 2021:120688.
2. 南京工業大學董曉臣聯合沙特國王科技大學Husam N. Alshareef（ACS Nano）：Ti3C2TxMXene活化的可伸縮自愈合水凝膠的快速凝膠化：一種分子策略
由于其表皮順應性，可編程的抗疲勞性，結構和功能的可調性，自修復水凝膠是軟機器人可拉伸光電和電子皮膚的潛在支柱。 但是，為了在可拉伸電子產品中可靠使用，迫切需要尋找具有出色的機電和多響應功能的自修復導電水凝膠。以MXene為基礎的水凝膠是一個蓬勃發展的軟材料家族，最近已經成為用于可伸縮電子產品的有前途的候選材料。
南京工業大學董曉臣聯合沙特國王科技大學Husam N. Alshareef報道了Ti3C3Tx?MXene可以在幾分鐘內活化不同聚合物水凝膠的快速凝膠化，包括丙烯酸(AA)、丙烯酰胺(AM)、N,N-二甲基丙烯酰胺(DMA)、N-異丙基丙烯酰胺(NIPAM)、甲基丙烯酸羥乙酯(HEMA)、苯胺(ANI)和聚乙二醇雙丙烯酸酯(PEGDA)等。即使是親油單體甲基丙烯酸甲酯(MMA)，也可以在親水性MXenes的幫助下在3天后凝膠化。通過調節MXene與聚合物之間的動態相互作用，可以獲得具有出色的可拉伸性，粘合性和自修復能力的水凝膠。
參考文獻：Ge G, Zhang Y-Z, Zhang W, Yuan W, El-Demellawi JK, Zhang P, et al. Ti3C2Tx MXene-Activated Fast Gelation of Stretchable and Self-Healing Hydrogels: A Molecular Approach. ACS Nano 2021.
3. 東南大學顧寧（Biomaterials）：基于具有可調微環境特性的水凝膠的三維細胞培養平臺，可改善MIN6細胞的胰島素分泌功能
糖尿病包括1型和2型糖尿病，是由于胰島素絕對或相對缺乏引起的。胰腺β細胞系如MIN6細胞或其他細胞系主要負責調節胰島素的合成和分泌，因此，在系統葡萄糖穩態中至關重要。目前，胰島細胞移植為糖尿病患者提供了有希望的治療方法。但是，最具挑戰性的問題之一是胰島存活率低，尤其是胰島移植后β細胞的破壞，從而降低了胰島素的儲存能力和葡萄糖刺激的胰島素分泌。已經研究了許多方法來改善β細胞的質量并增強胰島移植技術的結果。這些方法包括封裝胰島細胞以保護其免受免疫反應，將胰島細胞與支持細胞一起移植，設計人工胰腺，優化胰島移植部位等。
東南大學顧寧提出了一種新穎的三維策略，用于基于具有可調機械和界面特性的水凝膠誘導多細胞球體的形成。結果表明，MIN6細胞可以感知底物并在具有可調物理特性的水凝膠上形成緊密簇狀的單層或多細胞球體。與傳統的2D細胞培養系統相比，在3D培養模型中培養的MIN6細胞的葡萄糖敏感性大大提高，其胰島素含量（相對于蛋白質量）增加了7.3到7.9倍。此外，與2D對照組相比，在3D平臺上MIN6細胞中某些關鍵因素（例如Pdx1，NeuroD1，Piezo1和Rac1）的相對基因和蛋白質表達水平明顯更高。由此這種為產生多細胞球體而開發的3D細胞培養系統將是臨床胰島移植中糖尿病治療的有前途的平臺。
參考文獻：Zhang M, Yan S, Xu X, Yu T, Guo Z, Ma M, et al. Three-dimensional cell-culture platform based on hydrogel with tunable microenvironmental properties to improve insulin-secreting function of MIN6 cells. Biomaterials 2021:120687.
4. 愛爾蘭利默里克大學Mario Culebras（ACS Sustainable Chemistry & Engineering?）：木材衍生的水凝膠可作為藥物釋放系統的平臺
控釋系統可將藥物劑量調整至特定速率，從而將藥物濃度保持在有效的治療水平上，從而最大限度地發揮其在體內的作用。除了控釋以外，靶向釋放還可以提高藥物的效率，因為它可以遞送至需要治療的體內特定部位。因此，用于藥物控制釋放的新型平臺是藥學界了廣泛關注的領域。水凝膠由于其有利的特性而具有巨大的潛力，例如可調節的隨時間變化的溶脹行為，生物相容性，可調節的機械行為以及易于化學修飾。
愛爾蘭利默里克大學Mario Culebras著重于開發由纖維素/木質素共混物組成的木材衍生水凝膠，從而生產出一種新的水凝膠平臺，用于靶向和可控藥物遞送平臺。另外，將這些水凝膠的結構/性質關系映射為組成和木質素類型的函數，以提供對這些系統的全面理解。組分間的分子相互作用對其粘彈性行為起著重要作用，有機溶劑型木質素更容易形成氫鍵。利用有機溶劑木質素時，由于疏水性的引入，木質素分子結構的變化極大地影響了水凝膠的溶脹能力，這降低了水凝膠網絡的吸水性，而木質素磺酸鹽結構中離子磺酸基團的存在增加了水凝膠的溶脹能力。總而言之，這項工作為制藥領域中木質素的增值提供了新的機會。
參考文獻：Culebras M, Barrett A, Pishnamazi M, Walker GM and Collins MN. Wood-Derived Hydrogels as a Platform for Drug-Release Systems. ACS Sustainable Chemistry & Engineering 2021.
5. 廣東工業大學譚幗馨（Advanced Functional Materials）：可注射自愈的天然生物聚合物基水凝膠膠粘劑，具有熱響應性可逆粘連，可用于微創手術
傳統的手術閉合或植入物固定方法（例如縫合線，釘書釘，網眼和移植物）會導致較大的浸潤性，創傷，滲漏以及組織整合不足，這是由于組織與固定裝置之間的順從性嚴重不匹配所致。手術密封劑具有粘合性能，可以替代這些方法，并且有諸多好處例如減少手術時間，最大程度地減少治療侵入性，減少額外的創傷和患者失血以及防止體液泄漏。源自天然細胞外基質的天然水凝膠與人體軟組織相似，具有水合3D網絡以及固有的生物相容性和生物降解性，因此對于組織膠粘劑是有利的。
廣東工業大學譚幗馨開放了基于兩種細胞外基質衍生的生物聚合物（明膠和硫酸軟骨素）的具有熱響應可逆粘合性的可注射自愈生物相容性水凝膠粘合劑，可被用作密封或重新連接破裂組織的外科手術粘合劑。生成的水凝膠具有良好的自我修復能力，可以方便地通過針頭注射。在生理溫度下強大的組織粘附力源自席夫堿和水凝膠與組織之間的氫鍵相互作用，在低溫下該相互作用會減弱，從而容易在凝膠化狀態下將水凝膠從組織上剝離。體內和離體大鼠模型表明，該粘合劑可以在沒有縫合線或縫釘的情況下有效地密封傷口出血和液體滲漏。總的來說，該粘合劑有幾個優點，包括低成本，易于生產和應用，使其成為一種特殊的多功能組織粘合劑/密封膠，在微創手術中有應用前景。
參考文獻：Zhou, L., Dai, C., Fan, L., Jiang, Y., Liu, C., Zhou, Z., Guan, P., Tian, Y., Xing, J., Li, X., Luo, Y., Yu, P., Ning, C., Tan, G., Injectable Self‐Healing Natural Biopolymer‐Based Hydrogel Adhesive with Thermoresponsive Reversible Adhesion for Minimally Invasive Surgery. Adv. Funct. Mater. 2021, 2007457.
6. 四川大學王云兵（Chemical Engineering Journal ）：雙交聯的貽貝啟發式智能水凝膠，具有增強的抗菌和血管生成特性，可通過pH響應快速釋放貨物來治療慢性感染的糖尿病傷口
水凝膠是具有高水含量的交聯的三維聚合物網絡，由于其與生物組織的機械和化學相似性而已得到廣泛研究。水凝膠在物理和化學設計中的顯著靈活性使其成為有前途的生物醫學材料。水凝膠具有許多不同的應用，包括用于分離基質，生物技術轉化的酶載體，以及用于組織工程，骨再生，藥物遞送和免疫療法的載體等。通過在病理組織中提供高劑量和恒定的藥物釋放以及可忽略不計的毒性，水凝膠在藥物輸送中具有獨特的優勢。
四川大學王云兵開發了一種雙交聯的貽貝啟發式智能的水凝膠，pH響應水凝膠對皮膚組織具有良好的粘附性能，并且在第二次手術中不會對組織造成損害。由于雙席夫堿鍵能夠促進銀納米粒子和去鐵胺藥物在傷口部位的快速釋放，使得可以促進傷口愈合的雙重機制包括抗菌和血管生成。總而言之該水凝膠是可生物降解的，并且具有很好的生物相容性。
參考文獻：Hu C, Long L, Cao J, Zhang S and Wang Y. Dual-crosslinked mussel-inspired smart hydrogels with enhanced antibacterial and angiogenic properties for chronic infected diabetic wound treatment via pH-responsive quick cargo release. Chemical Engineering Journal 2021;411:128564.
7.上海交通大學李海燕（ACS Applied Bio Materials）：摻入生物玻璃能改善藻酸鹽/羧甲基殼聚糖水凝膠傷口敷料的機械穩定性和生物活性
通常，在皮膚傷口區域應使用合適的敷料，以防止感染并促進傷口愈合。傳統的傷口敷料，例如紗布，柔軟的亞麻布，天然或合成繃帶，棉花和其他產品，雖然具有機械穩定性，但缺乏生物活性和不能為傷口表面提供濕潤的環境。近來，越來越多的研究表明，傷口敷料的生物活性以積極促進傷口愈合也很關鍵。基于這些要求，水凝膠傷口敷料在臨床上越來越受到關注。與紗布傷口敷料相比，水凝膠傷口敷料具有許多優點，例如吸收性，透氣性，不粘連性，生物相容性，并且能夠產生濕潤的微環境。 另外，通過將諸如藥物或生長因子的生物活性分子摻入水凝膠中，容易提高水凝膠的生物活性。
上海交通大學李海燕通過在海藻酸鹽/羧甲基殼聚糖（SA / CMCS）水凝膠中添加生物玻璃（BG）粉末以形成用于傷口愈合的SA / CMCS / BG水凝膠，可以改善SA / CMCS水凝膠的機械穩定性，血液凝結，抗菌能力和生物活性。SA / CMCS / BG水凝膠的楊氏模量為9.5 kPa，在PSS中可以保持穩定超過20天。更重要的是，添加BG可以通過調節宿主的炎癥反應，刺激內皮細胞和成纖維細胞的遷移和增殖，增強血管形成和肉芽形成，從而大大加快SA / CMCS / BG水凝膠的生物活性，從而最終加速傷口的愈合過程。綜上所述，通過與BG的簡單結合，SA / CMCS水凝膠就被功能化為具有生物活性，并經過優化以具有機械穩定性，良好的抗凝性和抗菌性能，
參考文獻：Wu X and Li H. Incorporation of Bioglass Improved the Mechanical Stability and Bioactivity of Alginate/Carboxymethyl Chitosan Hydrogel Wound Dressing. ACS Applied Bio Materials 2021.
8. 浙江科技大學呂汪洋（Chemical Engineering Journal）：一維絲質納米纖維和二維石墨氮化碳納米片共同增強的抗凍抗菌導電有機水凝膠柔性傳感器
近年來，具有可穿戴性，柔性，遠程操作和及時反饋的優點的可伸縮/可穿戴柔性電子設備引起了越來越多的關注，并被廣泛應用于各個領域，例如柔性傳感器設備，可穿戴顯示器，可植入醫療設備和仿生皮膚等。作為可拉伸/可穿戴柔性電子設備的核心組件，靈活的傳感器可以將外部刺激（張力，壓縮和溫度）轉換為可檢測的電信號（電阻和電容）。作為柔性傳感器的重要組成部分，導體對柔性傳感器的性能具有重大影響。因此，導體不僅應具有良好的撓性和高拉伸性，而且還應具有顯著的抗疲勞性和生物相容性。這表明柔性傳感器本質上需要開發具有高電導率，出色的可拉伸性和抗疲勞性的有效導體。
浙江科技大學呂汪洋創造性地使用了柔軟的一維絲綢納米纖維（SNF）和堅硬的二維石墨氮化碳（g-C3N4）納米片，以共增強聚乙烯醇（PVA）有機水凝膠。令人驚訝的是，僅添加了0.1％的絲納米纖維和少量的g-C3N4納米片極大地提高了有機水凝膠的拉伸強度（約3.2倍）和韌性（約7.7倍）。通過使用由水和乙二醇組成的二元溶劑體系，有機水凝膠具有防凍功能，即使在-18°C，它也可以很好地保持有機水凝膠的柔韌性和導電性。由于添加了Al3+，導電聚乙烯醇-絲納米纖維-石墨氮化碳納米片（PVA / SNF / CN）有機水凝膠對大腸桿菌和金黃色葡萄球菌的殺菌率分別為99.527％和99.41％。基于PVA / SNF / CN有機水凝膠的三明治式柔性應變傳感器具有較大的線性傳感范圍（0％-100％），快速響應（276 ms）和出色的抗疲勞性能（1000個循環）。它不僅可以成功檢測到人體運動（腕部彎曲，膝關節彎曲）和面部表情（微笑和皺著眉頭），而且還能在使用長達20天的時間內保持輸出信號的準確性。PVA / SNF / CN有機水凝膠在柔性傳感器中顯示出巨大的潛力。
參考文獻： Bao S, Gao J, Xu T, Li N, Chen W and Lu W. Anti-freezing and antibacterial conductive organohydrogel co-reinforced by 1D silk nanofibers and 2D graphitic carbon nitride nanosheets as flexible sensor. Chemical Engineering Journal 2021;411:128470.
9. 德國德累斯頓工業大學Simon Binder（Sensors and Actuators B: Chemical）：基于雙敏感水凝膠的力補償化學傳感器的性能
長期以來，人們已經研究了刺激響應水凝膠作為化學傳感器中的傳感器。它們的優勢在于，作為親水性聚合物網絡，它們根據測量溶液中存在的刺激采用特定的體積，并且聚合物的溶脹或吸水程度是可逆的。結合起膨脹壓力傳感器作用的壓阻壓力傳感器，可以將膨脹程度（取決于測量變量）轉換成電輸出信號。過去已經研究了刺激響應水凝膠在化學微傳感器中作為傳感器的應用，然而水凝膠的體積相變還具有許多缺點，例如粘彈性蠕變和建立時間長，這限制了水凝膠基傳感器的競爭力。用雙敏感水凝膠進行力補償是一種測量方法，旨在通過抑制水凝膠的體積相變來抵消這些缺點。
德國德累斯頓工業大學Simon Binder以壓阻式水凝膠傳感器原理為例，介紹了用雙敏水凝膠測量分子內力補償的方法。為了簡單起見，選擇生理鹽水濃度作為測量變量，溫度作為補償刺激。通過比較傳統偏轉法和新補償法對傳感器的測量結果，表明采用分子內力補償法測量傳感器的性能得到了較大的改善，并且該力補償傳感器能夠成功地抑制膨脹。在補償模式下，可獲得與偏轉模式同樣好的再現性。通過這種分子內力補償傳感器設計，由于腫脹抑制，傳感器的沉淀時間可以減少70%。此外，還可以證明力補償傳感器不表現出明顯的遲滯行為。這意味著粘彈性蠕變得到了充分的抵消。該方法應用于其他基于水凝膠的傳感器原理以及開發對葡萄糖濃度敏感的水凝膠將會是未來研究的主題。
參考文獻：Binder S and Gerlach G. Performance of force-compensated chemical sensors based on bisensitive hydrogels. Sensors and Actuators B: Chemical 2021:129420.
10. 西湖大學楊賢鵬（ACS Sustainable Chemistry & Engineering）：紫外接枝納米纖維素纖維增韌水凝膠
水凝膠是高度水合的聚合物網絡，在生物學應用（例如人造組織和軟生物電子學）中具有巨大潛力。在大多數情況下，水凝膠需要承重性能。然而，同時獲得堅韌和堅固的水凝膠仍然具有挑戰性。纖維素納米纖維 （CNF） 具有許多增強水凝膠的優點，包括良好的親水性，優越的強度和剛度，高比表面積以及可調節的表面化學性質。 通過將CNF添加到水凝膠前體溶液中，可以很容易地將CNF摻入聚合物基質中，但是拉伸強度的提高通常受到CNF含量低和界面相互作用弱的限制。同時接枝聚合物的納米填料可以形成單組分納米復合材料（也稱為無基質納米復合材料），從而改善了界面相容性和韌性。
西湖大學楊賢鵬報道了各種乙烯基單體可以在不使用引發劑的情況下在紫外線輻射下接枝到CNF上，這被稱為紫外線接枝。通過新穎且綠色的方法，即在不存在引發劑的情況下進行紫外線照射，將聚合物基質從CNF的表面接枝形成單組分納米復合水凝膠。結果，與具有相同組成但獨立的CNF-基質結構的水凝膠相比，該水凝膠的韌性大大提高了140.6％。同時還發現，與基于軟木的CNF相比，基于硬木的CNF產生了更可拉伸但更柔軟的水凝膠。揭示了CNF的表面化學在制造這種納米復合材料中起重要作用。
參考文獻：Yang X, Wang L, Yano H and Abe K. Toughened Hydrogels through UV Grafting of Cellulose Nanofibers. ACS Sustainable Chemistry & Engineering 2021.
11. 印度Amrita Vishwa Vidyapeetham大學Rangasamy Jayakumar（Carbohydrate Polymers）：血管收縮劑和凝血活化劑包裹的殼聚糖基復合水凝膠可快速控制出血
止血是限制受傷的器官或組織失血的過程。 海綿，柔性紗布和顆粒形式的殼聚糖（Cs）已被廣泛用作局部止血劑。 一旦與血液接觸，Cs的陽離子胺基就會與紅細胞的陰離子膜相互作用，并幫助Cs密封出血部位。 紗布形式的Cs不依賴于凝血級聯來控制止血。 由于其粘膜粘附特性，它通過粘附在組織表面上起作用。但是即使使用了Cs，基于Cs的止血劑也需要在受傷部位進行加壓以止血，而且一旦從應用部位移開，這也會導致傷害再次出血。為了改善基于Cs的止血劑的止血性能，通常可以添加無機成分，例如硫酸鋁鉀（PA）（收斂劑/血管收縮劑）和氯化鈣（Ca）（凝血活化劑），不僅會提高其止血潛力，而且還會所有止血機制，并有助于快速控制失血。
印度Amrita Vishwa Vidyapeetham大學Rangasamy Jayakumar開發了具有PA和Ca截留的可注射的基于Cs的復合水凝膠。制備的2％Cs-0.25％PA-0.25％Ca復合水凝膠具有細胞和血液相容性。體外機理研究顯示了復合水凝膠的止血機理。與市售止血劑相比，復合水凝膠能夠在最短的時間內形成穩定的血凝塊，并且失血最少。因此，開發的可注射的Cs-PA-Ca復合水凝膠可作用于止血的所有機制，即使不加壓也可幫助快速控制出血。這種可注射的Cs-PA-Ca水凝膠可潛在地用于診所，以在牙科，肝臟，胃腸道和皮膚外科手術期間停止滲血和低壓出血情況。其他潛在的應用將包括從血管外科的針孔滲出，肺損傷，心臟的側面和后方的出血以及骨盆創傷。它也可用于最小限度的手術中，其中凝膠形式比止血劑的片狀或紗布形式更有用。
參考文獻：Sundaram MN, Mony U, Varma PK and Rangasamy J. Vasoconstrictor and coagulation activator entrapped chitosan based composite hydrogel for rapid bleeding control. Carbohydrate Polymers 2021;258:117634.
12. 四川大學華西醫學中心周翔（Advanced Healthcare Materials）：通過基于GO的控釋系統的互穿網絡水凝膠誘導M2型巨噬細胞分化來修復骨缺損
由創傷和疾病引起的骨缺陷是全世界的主要臨床挑戰之一。 為了解決這個問題，近年來，基于生物材料的組織工程已經成為修復骨缺損的一種有前途的方法。為此目的，傳統的生物材料設計主要著眼于加速牙本質的成骨分化。 然而，眾所周知，生物材料植入物在植入后開始與宿主組織發生相互作用，對宿主免疫反應產生深遠影響，進而可能影響愈合和修復過程。 因此，最近的方法已經認識到這種生物材料免疫系統相互作用對于影響材料介導的組織再生至關重要。
四川大學華西醫學中心周翔利用氧化石墨烯（GO）-羧甲基殼聚糖（CMC）/聚乙二醇二丙烯酸酯（PEGDA）開發了互穿網絡水凝膠，其中兩個生物活性分子白介素4（IL-4）和骨形態發生蛋白2（ BMP-2）以受控方式加載和釋放，以誘導巨噬細胞分化為M2型并增強骨骼形成。這兩個因素最初都被GO負載，然后被嵌入CMC / PEGDA水凝膠以持續釋放。結果表明，水凝膠顯示出增強的機械剛度，強度和穩定性。裝有IL-4和BMP-2的水凝膠在體外可顯著促進巨噬細胞M2型分化和骨髓間充質干細胞成骨分化。此外，體內研究表明，在植入后8周，植入這種水凝膠可顯著減少局部炎癥，同時增強骨骼再生。
參考文獻：Zou M, Sun J and Xiang Z. Induction of M2-Type Macrophage Differentiation for Bone Defect Repair via an Interpenetration Network Hydrogel with a GO-Based Controlled Release System. Adv Healthc Mater 2021:e2001502.
13. 四川大學冉蓉（Carbohydrate Polymers）：羥乙基纖維素固相氧化還原法制備納米銀用于抗菌應變傳感器水凝膠
隨著人類社會的進步與發展，研究人員對健康問題和智能生活產生了濃厚的興趣。此外，在柔性可穿戴設備領域，抗菌和生物相容性至關重要，可以避免炎癥和傷口感染。銀，一種過渡金屬，具有廣譜抗菌性能，導電性極佳，可用于生物材料，抗菌材料，可穿戴設備和水凈化等。銀納米顆粒和銀離子均具有抗菌作用。而且銀納米粒子具有較小的粒徑和較高的比表面積，并且較高的表面能原子可以提高納米銀吸附細菌，病毒和有機物的能力。銀納米顆粒可以顯著改變細菌的正常生理功能，并導致細菌死亡。此外，銀離子還可以破壞酶的活性，使無能力的細胞分裂和增殖。盡管銀由于其優異的抗菌和導電性能而成為制備導電抗菌水凝膠的最佳選擇，但銀納米粒子在水凝膠的制備過程中容易團聚并迅速氧化，從而限制了其應用。因此，銀/聚合物納米復合材料是一種替代的新策略
四川大學冉蓉提出了一種新穎，綠色和簡單的策略，用于制備銀納米顆粒并將其復合到用于抗菌應變傳感器的水凝膠系統中。通過對羥乙基纖維素進行固態還原來制備銀納米顆粒，并將其復合到化學交聯的水凝膠中，作為一種抗菌，柔性應變傳感器。由于銀納米顆粒的高表面能可以猝滅自由基，因此設計了三種引發劑來合成水凝膠：過硫酸銨（APS），2,2'-偶氮雙（2-甲基丙腈）（AIBN）和2,2'-偶氮二(2-甲基丙基咪)二鹽酸鹽（AIBA），結果表明銀納米顆粒復合水凝膠只能由AIBN成功制造和觸發。由于羥乙基纖維素的動態交聯點，復合水凝膠的機械性能（在704.33％應變時為0.12 MPa）得到了顯著改善。最后，該復合水凝膠被應用于抗菌應變傳感器領域，其最高表觀因子（GF）達到4.07。這種新材料可用于抗菌和應變傳感領域，并且顯示了一種設計具有各種功能的復合水凝膠的簡單方法。
參考文獻：Wang X, Wang Z, Wang X, Shi L and Ran R. Preparation of silver nanoparticles by solid-state redox route from hydroxyethyl cellulose for antibacterial strain sensor hydrogel. Carbohydrate Polymers 2021;257:117665.
14. 韓國高麗大學SehyunShin（Biosensors and Bioelectronics）：利用微流孔上的DNA水凝膠形成快速診斷SARS-CoV-2
2019年冠狀病毒疾病（COVID-19）大流行，由于癥狀與普通流感相似，包括發燒，咳嗽和喉嚨痛，大多數感冒患者被視為COVID-19攜帶者，故需要進行分子精確病毒檢測，但是這非常昂貴需要在機場和公共衛生中心。大規模和及時的測試，使得有效地預防和控制傳染病。此外，需要一種高度精確且經濟的病毒診斷測試，該測試可以輕松地在發展中國家用于應對傳染性病毒疾病而不會造成經濟負擔。
韓國高麗大學SehyunShin提出了一種創新的方法，可以使用等溫擴增包含多個微流孔的網格上的核酸來檢測嚴重急性呼吸系統綜合癥冠狀病毒2（SARS-CoV-2）。病原菌DNA與固定化探針雜交后，通過滾環放大形成DNA水凝膠，從而堵塞毛孔，防止液體流動。再優化了幾個因素（包括孔徑，篩孔位置和精密微流體）之后，孵育15分鐘后，SARS-CoV-2的檢出限（LOD）為0.7 aM。這些結果表明，通過遠程即時醫療點檢測，以中等大小的目標病原體LOD可以快速，輕松，有效地進行檢測，而無需任何復雜的設備。由于操作原理簡單，即使沒有電，當前系統也可以在任何地方或即時醫療點上運行。
參考文獻：Kim H-s, Abbas N and Shin S. A rapid diagnosis of SARS-CoV-2 using DNA hydrogel formation on microfluidic pores. Biosensors and Bioelectronics 2021;177:113005.
15. 上海交通大學錢志剛和夏小霞（Biomacromolecules）：可控的原纖維化增強能基因工程的類橡膠蛋白水凝膠
基因工程改造的蛋白質水凝膠通常是通過可溶性蛋白質聚合物的物理或化學交聯形成的，以形成模仿天然組織的細胞外基質的親水性三維網絡。這些基于蛋白質聚合物的水凝膠具有許多獨特的功能和優點。首先，蛋白質聚合物通常在體內具有生物相容性且可完全生物降解，這對于許多生物醫學需求而言至關重要。其次，重組DNA技術允許對重組蛋白進行工程改造，并對其序列，分子結構，鏈長和單分散性進行精確控制。 第三，可以在蛋白質水平上建立其特定應用所需的按需水凝膠特性。 因此，重組蛋白質水凝膠已成為各種生物醫學應用中最有希望的軟材料類別之一。同時橡膠狀蛋白質水凝膠由于其非凡的可拉伸性和高彈性而引起了越來越多的關注。
上海交通大學錢志剛和夏小霞提出了一種纖維化策略，用光交聯的類樹脂塊和可纖維化的絲狀塊來增強工程蛋白共聚物的水凝膠。首先，將具有更高比例的真絲與彈性蛋白嵌段的設計共聚物通過光化學交聯成具有增強機械性能的橡膠狀水凝膠。增大的絲與彈性樹脂的比率還使得能夠以時間依賴性方式將所得共聚物自組裝成原纖維。這允許共聚物溶液在超分子水平上可控的原纖化，用于隨后的光交聯成增強的水凝膠。或者，可以通過誘導組成性蛋白鏈的原纖維化在材料水平上增強所制備的化學交聯的水凝膠。最后，展示了增強這些水凝膠以用作壓阻傳感器以擴大壓力檢測范圍的優勢。該策略可能會提供引人入勝的機會，以生產出可廣泛應用的堅固的橡膠狀生物材料。
參考文獻：Huang S-C, Fan R-X, Tian K-K, Xia X-X and Qian Z-G. Controllable Fibrillization Reinforces Genetically Engineered Rubberlike Protein Hydrogels. Biomacromolecules 2021.
16. 美國北卡羅來納大學Jeffrey E. Dick（Biosensors and Bioelectronics）：氧化酶負載的水凝膠，用于多功能電位代謝物傳感
糖尿病是一種導致低血糖或高血糖的代謝疾病，并且是世界上主要的死亡原因之一。為了可靠地監測糖尿病患者的病情，需要對血液中的葡萄糖進行連續監測。目前，使用了商用顯示器，但由于生物污垢會導致傳感器性能隨時間下降，因此每5-7天必須更換一次。在目前存在的葡萄糖監測系統中，大多數是電化學的，因為電化學便宜，便攜式，快速，對非科學家而言操作簡單，具有高靈敏度和選擇性，并且不需要復雜的儀器。而酶作為生物識別元件是有利的，因為它們是特異性的，在生物學相關條件下穩定，可重復使用，獲得相對便宜，并且有數千種選擇。
美國北卡羅來納大學Jeffrey E. Dick提出了一種對電極尺寸相對不敏感的電化學技術開路電勢，作為監測目標代謝物的安培和伏安技術的可靠替代品。通過在電極表面施加足以將水合氫還原為氫氣的電勢，殼聚糖溶液的pH在電極表面附近開始局部升高。一旦它超過了胺基的pKa，它們就會開始去質子化，殼聚糖電聚合并沉積在電極表面。當在酶的存在下沉積時，殼聚糖將GOx包裹在電極表面附近，而沒有化學變化。最后，在水凝膠上添加一層Nafion，以防止酶泄漏或水凝膠分離，并減少干擾物的影響。這為電位計傳感器在各種代謝物和應用中的普遍使用奠定了基礎。
參考文獻：Walker NL and Dick JE. Oxidase-Loaded Hydrogels for Versatile Potentiometric Metabolite Sensing. Biosensors and Bioelectronics 2021:112997.
17. 韓國慶北國立大學Soo-Young Park（ACS Sensors）：用于金屬離子傳感器的聚（丙烯酸）水凝膠微球
鈣是人體中最豐富的礦物質之一，其中大部分（約99％）存儲在骨骼和牙齒中。血液和生物流體中僅存在少量鈣。除增強骨骼和牙齒外，鈣在某些生物學功能（如肌肉收縮，血管控制，神經遞質釋放，激素分泌和血液凝結）中也是必不可少的。方便的無創鈣測試可用于檢測疾病，例如骨骼，心臟，神經，腎臟和其他器官的損壞，并減少日常采集血液樣本的負擔。聚丙烯酸（PAA）是弱聚電解質水凝膠之一，由于二價（例如Ca?2+）離子與羧基之間的相互作用，它可以應用于智能傳感器。兩個羧基可以產生由二價Ca?2+介導的橋連結構，因此溶脹的聚丙烯酸（PAA）水凝膠可以被Ca?2+收縮。PAA水凝膠的收縮程度可以指示水溶液中Ca?2+的量。
韓國慶北國立大學Soo-Young Park使用位于聚二甲基硅氧烷（PDMS）芯片中的PAA水凝膠液滴制造了鈣傳感器。PDMS芯片設計用于通過出口沖洗液滴存儲室內的水溶液。具有相同化學成分的均勻大小的PAA交聯液滴（X液滴）通過丙烯酸（AA）單體和N，N'-亞甲基雙丙烯酰胺（MBA）的交聯劑，通過微流體方法通過原位UV聚合生產。所制造的X液滴在PDMS室中用KOH進行功能化，并通過連續動態測量X液滴在25℃下流動時的尺寸來用作水溶液中鈣離子濃度的指標。恒定的流量。PAA?KOH?X液滴的尺寸減小速度和飽和尺寸已成功用于同時測量Ca 2+和Mg?2+在人的血清和唾液中。因此，PDMS芯片中的這些方便且具有成本效益的PAA X-droplets可以應用于鈣傳感器，從而可以解決Mg 2+對人類生物流體的干擾問題。
參考文獻：Tan H and Park S-Y. Poly(acrylic acid) Hydrogel Microspheres for a Metal-Ion Sensor. ACS Sensors 2021.
18. 韓國忠南國立大學Won Ho Park（Acta Biomaterialia）：貽貝啟發的聚（γ-谷氨酸）/納米硅酸鹽復合水凝膠，具有增強的機械性能，組織粘合性能和皮膚組織再生
貽貝能附著在天然或人造表面上，例如巖石，木結構，金屬，混凝土，海洋生物，以及在鹽分條件下潮濕且不規則的表面。3,4-二羥基苯基-L-丙氨酸（DOPA），一種兒茶酚酸，在實現貽貝的顯著附著力方面起著重要作用。含兒茶酚的材料在體內表現出優異的粘附性能。最近，已經使用兒茶酚改性的水凝膠進行了各種研究。然而，盡管具有優異的表面粘合性能，但是由于粘合劑的低機械強度而導致水凝膠基粘合劑的內聚破壞，這限制了粘合強度。
韓國忠南國立大學Won Ho Park通過兒茶酚功能化納米復合水凝膠與生物活性納米硅酸鹽(Laponite, LP)的二次交聯可調節內聚強度來提高其粘附性能。納米復合水凝膠由天然陰離子聚γ-谷氨酸(γ-PGA)組成，γ-PGA被兒茶酚部分功能化，并與圓盤結構的LP結合。采用辣根過氧化物酶(HRP)和過氧化氫(H2O2)作用下兒茶酚酶化學交聯，γ-PGA -兒茶酚偶聯物與LP物理交聯的方法制備了雙交聯水凝膠。含有鄰苯二酚的PGADA/LP納米復合水凝膠對各組織層具有較強的粘附性和良好的止血性能。這些PGADA/LP納米復合水凝膠具有潛在的應用前景，可用于注射性組織工程水凝膠、組織粘合劑和止血材料。
參考文獻：Kim MH, Lee J, Lee JN, Lee H and Park WH. Mussel-inspired poly(γ-glutamic acid)/nanosilicate composite hydrogels with enhanced mechanical properties, tissue adhesive properties, and skin tissue regeneration. Acta Biomaterialia 2021.
19. 鄭州輕工業大學劉春森（Journal of Colloid and Interface Science）：核殼鳥苷硼酸水凝膠的自愈機理和生化電化學界面性質
具有自我修復能力的智能凝膠材料正獲得越來越多的研究興趣，并在改善設備的使用壽命和安全性方面具有廣闊的前景。通過在分子設計中采用可逆的物理和化學相互作用，已經獲得了許多超分子和聚合物自修復凝膠。但是，大多數報道只關注于自我修復現象的描述，缺乏理論機制和實際應用研究。深入了解可自我修復的凝膠的結構與特性之間的關系，并發現其他應用是非常理想的，但具有挑戰性的研究目標。
鄭州輕工業大學劉春森提出了一個本構“原纖維重組”模型，以揭示一系列核殼結構鳥嘌呤-硼酸鹽（GB）水凝膠的自愈機制，并強調了超分子聚合物尺度上的原纖維間相互作用驅動GB水凝膠的自愈過程。結構電化學傳感性能研究表明，具有相對強生物分子親和力的GB水凝膠納米纖維，顯示出對腫瘤標志物甲胎蛋白（AFP）傳感的高響應敏感性和低檢測限（0.076 pg mL-1）。具有優異電導率和氧化還原活性的鳥苷/二茂鐵硼酸（GB-Fc）水凝膠納米纖維顯示出最寬的AFP線性檢測范圍（0.0005–100 ng mL?-1）。GB水凝膠的結構性質相關性為先進的自愈材料和電化學生物傳感器的未來設計提供了有用的見識。
參考文獻：Wang H, Xie X-Q, Peng Y, Li J and Liu C-S. Self-healing mechanism and bioelectrochemical interface properties of core-shell guanosine-borate hydrogels. Journal of Colloid and Interface Science 2021;590:103-113.
20. 美國西北大學Samuel I. Stupp（Small）：具有分層結構的超分子聚合物水凝膠的3D打印
納米級生物啟發的水凝膠在能量和醫學領域都引起了廣泛的關注。從聚電解質和電極，用于能量轉換和存儲到藥物遞送載體和細胞支架用于再生醫學，實現所期望的納米結構形態并取向為水凝膠材料的最佳性能的關鍵。尤其是，由超分子聚合物組成的水凝膠可根據分子構件的自下而上組裝，實現復雜的設計和整體性能的可調性。編程單體驅動器之間的吸引力和排斥力的相互作用自組裝成納米級的定義與形狀特定表面化學。直接墨水書寫（DIW）是一種基于擠出的3D打印技術，已被證明是一種用于對表面進行構圖和構建復雜3D結構的有用處理工具。
美國西北大學Samuel I. Stupp報道了一種用于從水性超分子聚合物油墨中進行離子交聯的液晶水凝膠的3D打印的方法。結合實驗技術和分子動力學模擬發現pH和鹽濃度控制著自組裝結構之間的分子間相互作用，其中超分子聚合物上的電荷密度較低，而從電解質中篩選出的電荷較高，因此油墨的粘度較高。當使用較小的噴嘴直徑和快速的打印速度時，高粘度油墨中組件之間增強的層次結構相互作用提高了可印刷性，并最終導致了擠出的宏觀絲中更大的納米級排列。事實證明，這種方法的使用可產生具有各向異性離子和電子電荷傳輸的材料，以及由于超分子自組裝和增材制造的協同作用而觸發細胞宏觀排列的支架。
參考文獻：Sather, N. A., Sai, H., Sasselli, I. R., Sato, K., Ji, W., Synatschke, C. V., Zambrotta, R. T., Edelbrock, J. F., Kohlmeyer, R. R., Hardin, J. O., Berrigan, J. D., Durstock, M. F., Mirau, P., Stupp, S. I., 3D Printing of Supramolecular Polymer Hydrogels with Hierarchical Structure. Small 2021, 2005743.
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