水凝胶 又有什么重大突破？

最近有一种特别火的材料在科研界频繁出现，就连NS期刊近期也大量报道，这种材料就是水凝胶，那什么是水凝胶呢？水凝胶（Hydrogel）是一类极为亲水的三维网络结构凝胶，它在水中迅速溶胀并在此溶胀状态可以保持大量体积的水而不溶解。水凝胶作为一种典型生物材料，具有众多别的材料所不可比拟的特性，如良好的生物相容性和生物降解性，类似组织的柔韧性，可拉伸性，断裂韧性，离子电导率等，使其成为了生物家族中的明星材料。本专题来关注一下在水凝胶领域又有那些突破性的进展。

1. 水凝胶助力金属3D打印 登上Nature！

加州理工大学Max A. Saccone，Daryl W. Yee和Julia R. Greer等研究者开发了一种基于VP的AM技术，即水凝胶灌注增材制造(HIAM)，该技术可以利用光树脂制造出各种微结构金属和合金。实验使用3D水凝胶支架作为后续原位材料合成反应的平台。先使用DLP打印N,N-二甲基甲酰胺(DMF)/聚乙二醇双丙烯酸酯(PEGda)基结构有机凝胶，用以制造金属微晶格。打印后，用溶剂交换将DMF替换为水，将有机凝胶转化为水凝胶。然后将水凝胶结构浸泡在金属盐前驱体溶液中实现溶胀。在空气中将溶胀后的水凝胶煅烧，转化为金属氧化物，随后减少产生的气体，生成所需的结构。

相关研究工作以“Additive manufacturing of micro-architected metals via hydrogel infusion”为题发表在国际顶级期刊 Nature 上。

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2. MXene之父Nat.Commun.：用于高效赝电容储能的MXene水凝胶的4D打印

近日，MXene之父，德雷塞尔大学的Yury Gogotsi教授及其合作者在自然通讯（Nature Communications）期刊上发表了基于MXene的电化学储能装置的最新研究”4D printing of MXene hydrogels for high-efficiency pseudocapacitive energy storage”，该工作开发了一种先进的4D打印技术，制备了具有高比电容（232.9 F/g），抗低温（-20℃），高容量保持率（90.6%）和高能量密度（92.88 μWh/cm²）的MXene水凝胶电化学储能器件。

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3. 西湖大学首次实现水凝胶电子器件的3D打印

在这项研究中，西湖大学的周南嘉课题组报道了使用可固化的水凝胶基支撑基质和可拉伸的银-水凝胶墨水，首次实现了水凝胶电子器件的3D打印。支撑基质具有屈服应力流体行为，因此移动打印机喷头产生的剪切力会产生一种临时的类流体状态，从而使银水凝胶墨水电路和电子元件能够准确地放置在基体中。印刷后，整个基体和嵌入的电路可以在60°C下固化形成柔软的(杨氏模量小于5 kPa)和可拉伸的(伸长率在18左右)单片水凝胶电子器件，而导电油墨表现出约1.4×10³ S cm^-1的高导电性。本工作使用3D打印方法来创建应变传感器、感应器和生物电极。相关论文以题为：“Three-dimensional printing of soft hydrogel electronics”发表在Nature Electronics上。

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4. 最新Adv.Mater.：4D打印柔软和可伸缩电极用于神经接口

为了提高电极的处理和植入程度，德国慕尼黑工业大学Bernhard Wolfrum教授（通讯作者）研发了一个神经接口，其能够折叠成一个小神经周围的袖套，由插入过程中的身体水分触发。具体来说，作者通过打印双层柔性聚氨酯，来打印树脂和高膨胀的丙烯酸钠水凝胶来实现这种折叠。当浸入在水溶液中时，水凝胶膨胀使得电极轻轻地被折叠在神经周围。同时，由于使用柔软和可拉伸的印刷树脂作为衬底，微裂纹金膜作为导电层，电极是坚固的，能够拉伸（> 20%），并能够弯曲以促进植入。进一步研究表明，本文提出的电极的直接植入和提取展现了对小周围神经的刺激和记录能力，这也为简单而坚固的用于PNI的自折叠电极进入更广泛的临床应用铺平道路。相关研究成果以“4D printed soft and stretchable self-folding cuff electrodes for small-nerve interfacing”为题发表在Adv. Mater.上。

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5. 水凝胶机器人AM：受多功能花粉粒启发的水凝胶(MPH)机器人用于靶向药物递送

马克斯·普朗克智能系统研究所物理智能系Metin Sitti教授团队展示了一种受多功能花粉粒启发的水凝胶（MPH）机器人，用于可控地附着在生物组织上进行靶向药物递送。研究人员打印了三维（3D）MPH机器人（直径120微米），该机器人由用于可控附着的温度驱动球形外壳、PH响应式药物释放球形结构以及带有尖刺的磁驱动层组成。包裹在机器人体内具有铁磁性和生物相容性的FePt纳米颗粒由外部旋转磁场驱动和操纵，最高可达到532 μm s^-1的平移速度。此外，该机器人旨在通过温度响应方法提高外壳的温度，使聚N-异丙基丙烯酰胺（pNIPAM）的外壳尺寸缩小到49%，从而实现可控附着。最后，研究人员通过向机器人内部引入聚N-异丙基丙烯酰胺丙烯酸（pNIPAM-AAc）来执行PH响应型按需药物递送的功能。该项研究开发的受多功能花粉粒启发的机器人为未来各种医疗微型机器人的设计铺平了道路，以提高其预测性能和功能多样性。

相关研究成果以“Multifunctional 3D-Printed Pollen Grain-Inspired Hydrogel Microrobots for On-Demand Anchoring and Cargo Delivery”为题发表在国际顶级期刊Advanced Materials上。

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6. Nature子刊：一种用于扩张显微术的通用分子锚定策略

卡内基梅隆大学Yongxin Zhao教授描述了一种名为Magnify的策略，该策略使用机械坚固的凝胶来保留核酸、蛋白质和脂质，而不需要单独的锚定步骤。Magnify可将生物标本放大11倍，并能够使常规光学显微镜上以约280 nm衍射极限的物镜和有效分辨率约为25 nm的条件下对细胞和组织进行成像，如果结合超分辨率光学波动成像，则有效分辨率约为15 nm。并且在广泛的生物标本上演示了Magnify，提供了对纳米级亚细胞结构的深入了解，比如来自小鼠大脑的突触蛋白，福尔马林固定石蜡包埋的人类肾脏中的足细胞足突，以及药物处理的人类肺类器官中的纤毛和基底体缺陷。相关成果以“Magnify is a universal molecular anchoring strategy for expansion microscopy”发表在Nature biotechnology上。

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7. 最新Nat.Mater.：菌丝体水凝胶3D打印成活性复合材料

近日，苏黎世联邦理工大学的André R. Studart教授、Kunal Masania教授团队设计了一种利用真菌菌丝的新兴特性来创造活的复合材料，从而实现自我修复，再生和环境适应，同时充分发挥材料的功能服务于特定的工程目的。装载真菌的水凝胶被3D打印成晶格结构，使菌丝生长在平衡的探索和利用模式中，同时促进凝胶的定殖和空气间隙的桥接。最后，为了说明这种基于菌丝体的活体复杂材料的潜力，本工作3D打印了一个机械坚固、自清洁和损伤后能够自主再生的机器人皮肤。相关论文以题为：“Three-dimensional printing of mycelium hydrogels into living complex materials”发表在Nature Materials上。

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8. 3D打印登上最新Science！

近日，香港中文大学陈世祈教授、卡内基梅隆大学招泳欣教授受水凝胶通过其不同的相互作用捕获各种材料的启发，提出了一种利用包括金属、金属合金、二维材料、氧化物、金刚石、上转换材料、半导体、聚合物、生物材料、分子晶体和油墨的材料库来制造任意3D纳米结构的策略。具体而言，通过飞秒光片图案化的水凝胶用作模板，允许直接组装材料以形成预设计的纳米结构。通过微调曝光策略和图案化凝胶的特征，实现了20-200 nm分辨率的2D和3D结构。研究人员以此制造了纳米器件，包括加密光学存储和微电极，以展示其设计的功能和精度。结果表明，本研究方法为不同类别材料的纳米制造提供了系统的解决方案，并为复杂纳米器件的设计提供了解决方案。相关研究成果以题为“Three-dimensional nanofabrication via ultrafast laser patterning and kinetically regulated material assembly”发表在知名期刊Science上。

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