水凝膠專題匯總
最近有一種特別火的材料在科研界頻繁出現，就連NS期刊近期也大量報道，這種材料就是水凝膠，那什么是水凝膠呢？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。水凝膠作為一種典型生物材料，具有眾多別的材料所不可比擬的特性，如良好的生物相容性和生物降解性，類似組織的柔韌性，可拉伸性，斷裂韌性，離子電導率等，使其成為了生物家族中的明星材料。本專題來關注一下在水凝膠領域又有那些突破性的進展。
1. 水凝膠助力金屬3D打印 登上Nature!
加州理工大學Max A. Saccone，Daryl W. Yee和Julia R. Greer等研究者開發了一種基于VP的AM技術，即水凝膠灌注增材制造(HIAM)，該技術可以利用光樹脂制造出各種微結構金屬和合金。實驗使用3D水凝膠支架作為后續原位材料合成反應的平臺。先使用DLP打印N,N-二甲基甲酰胺(DMF)/聚乙二醇雙丙烯酸酯(PEGda)基結構有機凝膠，用以制造金屬微晶格。打印后，用溶劑交換將DMF替換為水，將有機凝膠轉化為水凝膠。然后將水凝膠結構浸泡在金屬鹽前驅體溶液中實現溶脹。在空氣中將溶脹后的水凝膠煅燒，轉化為金屬氧化物，隨后減少產生的氣體，生成所需的結構。
相關研究工作以“Additive manufacturing of micro-architected metals via hydrogel infusion”為題發表在國際頂級期刊?Nature?上。
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2. MXene之父Nat. Commun.：用于高效贗電容儲能的MXene水凝膠的4D打印
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近日，MXene之父，德雷塞爾大學的Yury Gogotsi教授及其合作者在自然通訊（Nature Communications）期刊上發表了基于MXene的電化學儲能裝置的最新研究”4D printing of MXene hydrogels for high-efficiency pseudocapacitive energy storage”，該工作開發了一種先進的4D打印技術，制備了具有高比電容（232.9 F/g），抗低溫（-20℃），高容量保持率（90.6%）和高能量密度（92.88 μWh/cm2）的MXene水凝膠電化學儲能器件。
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3. 西湖大學首次實現水凝膠電子器件的3D打印
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在這項研究中，西湖大學的周南嘉課題組報道了使用可固化的水凝膠基支撐基質和可拉伸的銀-水凝膠墨水，首次實現了水凝膠電子器件的3D打印。支撐基質具有屈服應力流體行為，因此移動打印機噴頭產生的剪切力會產生一種臨時的類流體狀態，從而使銀水凝膠墨水電路和電子元件能夠準確地放置在基體中。印刷后，整個基體和嵌入的電路可以在60°C下固化形成柔軟的(楊氏模量小于5?kPa)和可拉伸的(伸長率在18左右)單片水凝膠電子器件，而導電油墨表現出約1.4×103?S?cm-1的高導電性。本工作使用3D打印方法來創建應變傳感器、感應器和生物電極。相關論文以題為：“Three-dimensional printing of soft hydrogel electronics”發表在Nature Electronics上。
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4. 最新Adv. Mater.：4D打印柔軟和可伸縮電極用于神經接口
為了提高電極的處理和植入程度，德國慕尼黑工業大學Bernhard Wolfrum教授（通訊作者）研發了一個神經接口，其能夠折疊成一個小神經周圍的袖套，由插入過程中的身體水分觸發。具體來說，作者通過打印雙層柔性聚氨酯，來打印樹脂和高膨脹的丙烯酸鈉水凝膠來實現這種折疊。當浸入在水溶液中時，水凝膠膨脹使得電極輕輕地被折疊在神經周圍。同時，由于使用柔軟和可拉伸的印刷樹脂作為襯底，微裂紋金膜作為導電層，電極是堅固的，能夠拉伸（> 20%），并能夠彎曲以促進植入。進一步研究表明，本文提出的電極的直接植入和提取展現了對小周圍神經的刺激和記錄能力，這也為簡單而堅固的用于PNI的自折疊電極進入更廣泛的臨床應用鋪平道路。相關研究成果以“4D printed soft and stretchable self-folding cuff electrodes for small-nerve interfacing”為題發表在Adv. Mater.上。
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5. 水凝膠機器人AM：受多功能花粉粒啟發的水凝膠（MPH）機器人用于靶向藥物遞送
馬克斯·普朗克智能系統研究所物理智能系Metin Sitti教授團隊展示了一種受多功能花粉粒啟發的水凝膠（MPH）機器人，用于可控地附著在生物組織上進行靶向藥物遞送。研究人員打印了三維（3D）MPH機器人（直徑120微米），該機器人由用于可控附著的溫度驅動球形外殼、PH響應式藥物釋放球形結構以及帶有尖刺的磁驅動層組成。包裹在機器人體內具有鐵磁性和生物相容性的FePt納米顆粒由外部旋轉磁場驅動和操縱，最高可達到532 μm s-1的平移速度。此外，該機器人旨在通過溫度響應方法提高外殼的溫度，使聚N-異丙基丙烯酰胺（pNIPAM）的外殼尺寸縮小到49%，從而實現可控附著。最后，研究人員通過向機器人內部引入聚N-異丙基丙烯酰胺丙烯酸（pNIPAM-AAc）來執行PH響應型按需藥物遞送的功能。該項研究開發的受多功能花粉粒啟發的機器人為未來各種醫療微型機器人的設計鋪平了道路，以提高其預測性能和功能多樣性。
相關研究成果以“Multifunctional 3D-Printed Pollen Grain-Inspired Hydrogel Microrobots for On-Demand Anchoring and Cargo Delivery”為題發表在國際頂級期刊Advanced Materials上。
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6. Nature子刊：一種用于擴張顯微術的通用分子錨定策略
卡內基梅隆大學Yongxin Zhao教授描述了一種名為Magnify的策略，該策略使用機械堅固的凝膠來保留核酸、蛋白質和脂質，而不需要單獨的錨定步驟。Magnify可將生物標本放大11倍，并能夠使常規光學顯微鏡上以約280 nm衍射極限的物鏡和有效分辨率約為25 nm的條件下對細胞和組織進行成像，如果結合超分辨率光學波動成像，則有效分辨率約為15 nm。并且在廣泛的生物標本上演示了Magnify，提供了對納米級亞細胞結構的深入了解，比如來自小鼠大腦的突觸蛋白，福爾馬林固定石蠟包埋的人類腎臟中的足細胞足突，以及藥物處理的人類肺類器官中的纖毛和基底體缺陷。相關成果以“Magnify is a universal molecular anchoring strategy for expansion microscopy”發表在Nature biotechnology上。
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7. 最新Nat. Mater.：菌絲體水凝膠3D打印成活性復合材料
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近日，蘇黎世聯邦理工大學的André R. Studart教授、Kunal Masania教授團隊設計了一種利用真菌菌絲的新興特性來創造活的復合材料，從而實現自我修復，再生和環境適應，同時充分發揮材料的功能服務于特定的工程目的。裝載真菌的水凝膠被3D打印成晶格結構，使菌絲生長在平衡的探索和利用模式中，同時促進凝膠的定殖和空氣間隙的橋接。最后，為了說明這種基于菌絲體的活體復雜材料的潛力，本工作3D打印了一個機械堅固、自清潔和損傷后能夠自主再生的機器人皮膚。相關論文以題為：“Three-dimensional printing of mycelium hydrogels into living complex materials”發表在Nature Materials上。
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8. 3D打印登上最新Science!
近日，香港中文大學陳世祈教授、卡內基梅隆大學招泳欣教授受水凝膠通過其不同的相互作用捕獲各種材料的啟發，提出了一種利用包括金屬、金屬合金、二維材料、氧化物、金剛石、上轉換材料、半導體、聚合物、生物材料、分子晶體和油墨的材料庫來制造任意3D納米結構的策略。具體而言，通過飛秒光片圖案化的水凝膠用作模板，允許直接組裝材料以形成預設計的納米結構。通過微調曝光策略和圖案化凝膠的特征，實現了20-200 nm分辨率的2D和3D結構。研究人員以此制造了納米器件，包括加密光學存儲和微電極，以展示其設計的功能和精度。結果表明，本研究方法為不同類別材料的納米制造提供了系統的解決方案，并為復雜納米器件的設計提供了解決方案。相關研究成果以題為“Three-dimensional nanofabrication via ultrafast laser patterning and kinetically regulated material assembly”發表在知名期刊Science上。
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