MIT赵选贺团队系统定义《水凝胶机器》

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含有水分子的聚合物网络被称为水凝胶，它是大部分人体器官的重要组成部分（例如大脑、脊髓、心脏、肌肉、皮肤等）。水凝胶具有优越的柔软度，含水量，响应性，生物相容性和生物活性，已经被广泛应用在组织工程，药物递送和生物科研的平台等。

近年来，人们研发了多种以水凝胶为主要材料的设备和仪器，它们在医疗、生物、能源、环境和水等领域有着重要的应用。水凝胶机器（hydrogel machines），这个基于水凝胶作为关键组分的新一代机器，正在成为一个新兴的、快速发展的领域。

图一. 水凝胶广泛应用于载药、组织工程、生物研究，而现在进一步用于构建水凝胶机器。

近日，麻省理工学院机械工程系赵选贺教授团队在Materials Today上发表题为《水凝胶机器》（Hydrogel Machines）的综述，定义了基于水凝胶材料的新一代机器。并将水凝胶机器根据不同应用，系统地划分为多种类别，包括水凝胶传感器，水凝胶驱动器，水凝胶表面涂层，水凝胶光学器件，水凝胶电子器件，以及水凝胶集水装置等）。针对具体的机器类别，详细讨论了水凝胶机器的基本工作原理，提炼了水凝胶的材料性能参数要求，列举了水凝胶机器现有的科研进展和产品化进程，并建议了水凝胶机器未来发展的方向和挑战。（图一）

01

水凝胶传感器

传统的电子/电化学传感器需要依赖半导体或金属的电极和电子回路，将环境中的信号转换为电子信号。而水凝胶传感器依赖于水凝胶独有的性能，比如非线性大变形，刺激响应性，高含水量等。水凝胶传感器工作分为两个步骤，先从环境接受物理或化学输入信号，然后再转化成可度量的输出信号（比如形状、尺寸、力学、光学、电学、生物信号）。根据水凝胶在传感器中的功能，作者将水凝胶传感器分为两大类：

（a）刺激响应性水凝胶，自身能够根据环境信号改变，发生体积变化或相变；

（b）惰性水凝胶载体，能够装载一些活性物质（如自由离子，纳米颗粒，生物分子，细菌，细胞等），这些活性物质能响应环境信号（图二）。

图二 .水凝胶传感器包括刺激响应性水凝胶和惰性水凝胶载体

02

水凝胶驱动器

传统驱动器的机械能转换，是依赖于硬质材料（比如压电陶瓷）的线弹性小变形。而水凝胶驱动器主要是依赖水凝胶的非线性大变形而产生的机械运动。根据不同驱动机理，作者把水凝胶驱动器分为三个大类，分别是：

（a）刺激响应性水凝胶，由渗透压驱动导致体积膨胀或收缩；

（b）包含活性成分的水凝胶，这些活性物质主要是磁性颗粒或自由离子，能响应磁场或电场的变化；

（c）带有空腔结构的水凝胶，可以被气压或者水压驱动（图三）。

图三. 水凝胶驱动器包括刺激响应性水凝胶，含活性成分（磁性颗粒或自由离子）的水凝胶和带有空腔结构的水凝胶

03

水凝胶涂层

当一些坚硬的人造器材（比如骨科植入物、神经探针等）和人体相接触的时候，往往需要一层水凝胶的界面，来调和器材和人体之间力学、生物性能的巨大差异，并且减少体内的排异反应。为了能将水凝胶涂覆在人造器材表面，需要实现工程材料和水凝胶的耦合或粘接，形成稳定的水凝胶涂层。根据水凝胶和其他材料表面粘接的原理，作者把水凝胶涂层分为四个类别，分别是基于（a）物理附着；（b）共价键固定；（c）界面互穿网络；（d）机械互锁结构的水凝胶涂层（图四）。

图四. 水凝胶涂层包括基于物理附着，共价键固定，界面互穿网络和机械互锁结构的水凝胶涂层

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水凝胶光学器件

水凝胶的高透明度、柔软度、高含水量让其可以用作和人体耦合的光学器件，对于诊断、治疗、成像和生物科研都有着重要作用。根据水凝胶光学器件的应用范围，作者把它们分为四个类别，分别是用于（a）眼科镜片；（b）智能窗户和智能显示器；（c）光导纤维；（d）生物检验基材的水凝胶光学器件（图五）。这其中一些器件需要水凝胶具有较高的折射率、或者可调节的光学性能（比如透射，散射，衍射）。

图五. 水凝胶光学器件包括眼科镜片，智能窗户和智能显示器，光导纤维和生物检验基材

05

水凝胶电子器件

作为人机界面的理想载体之一，人们试图将水凝胶应用于生物电子等电子器件。然而，水凝胶的电学性能仍需进一步提高。水凝胶电子器件的分类是根据几种不同的水凝胶电导率提升方法，包括（a）向水凝胶中添加离子盐，实现离子导电水凝胶；（b）向水凝胶内部掺入电子导电的微米/纳米材料，提升电子导电性；（c）向水凝胶内部引入导电高分子，提高电子导电性（图六）。更多细节详见赵选贺团队的另一篇综述（MIT赵选贺团队定义《水凝胶生物电子学》）。

图六. 水凝胶电子器件的机理包括向水凝胶中添加离子盐，掺入电子导电的微米/纳米材料，以及引入导电高分子

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水凝胶集水器

淡水资源紧缺是全球面临的一个日益严峻的问题。一系列水处理技术正在发展和商业化，包括反渗透，蒸馏，离子交换等。而水凝胶具有高含水量，及其可逆的溶胀/失水过程，令其成为一些集水器的重要元件之一。根据水凝胶集水器收集淡水的渠道和原理，作者把水凝胶集水器分为三个类别，分别是基于（a）从被污染水源中吸收并去除污染物；（b）从盐水中通过正渗透作用脱盐；（c）从大气水中凝结蒸汽的水凝胶集水器（图七）。

图七. 水凝胶集水器的机理包括污染物去除，正渗透作用脱盐，和蒸汽凝结

基于当前水凝胶机器这个领域面临的机遇和挑战，作者建议了一系列水凝胶机器未来发展的方向。

• 在基础材料方面，仍然需要设计水凝胶更优越、更极端的材料性能来满足更高的机器工作效率。针对不同的机器应用，水凝胶材料上也有不同的性能要求。比如，对于水凝胶传感器，要求水凝胶对外界环境有更快速、更灵敏、更精确的响应；对于水凝胶驱动器，要求水凝胶的变形过程具有更高的功率密度和能量密度；对于水凝胶的光学和电学器件，则要求水凝胶具备更高的光电传导效率等等。

• 除了以上的六种水凝胶机器，新的基于水凝胶材料的机器也在不断研发中，包括水凝胶声学器件和热学器件。另外，新一代的水凝胶机器将不仅局限于单一的功能，通常集成了多种功能（传感、驱动、界面等），比如基于水凝胶材料的机器人和计算机。

• 智能化和可编程的水凝胶机器将带来更多的可能。在自然界的生物启发下，水凝胶机器拓宽了设计空间，变得更加智能，和环境交互性更强；一些新兴材料制造方式（包括3D打印，基因编辑等手段）能够实现对水凝胶材料分子和结构上的精细调控，进而能够预先设计水凝胶机器的程序和功能；机器学习的发展也可为水凝胶机器的控制提供优化方案。

• 水凝胶机器的可靠性、长期稳定性是实际应用中关注的重点之一。水凝胶自身的力学性能（模量、强度、断裂能等），与其他材料粘接后的界面力学性能（界面断裂能）是决定水凝胶机器的稳定性的两个重要因素。特别是当水凝胶承受动态力学载荷时（比如水凝胶作为心脏贴片、软骨替代物），我们需要设计抗疲劳的水凝胶以及与其他材料抗疲劳的粘接性能。在设计稳定水凝胶机器时，环境中的化学、温度、湿度条件对水凝胶的影响（老化，失水，降解）也需要考虑在内。

• 最后一点是关于水凝胶机器的产品转化。这是科研工作者也需要逐渐考虑的问题。现有的水凝胶机器相关的科研工作（文章和专利），和真正转化为食品药品管理局批准的临床医用产品或商品仍有一段距离，需要更严格的验证其安全性、有效性、可靠性。原材料的来源、材料和制造成本、市场的大小都是需要考虑的因素。

该综述通讯作者赵选贺博士是MIT终身教授。该综述的作者还包括MIT博士生刘心悦、博士后刘吉（南方科技大学教授）、博士后林少挺。

团队简介

MIT赵选贺团队（http://zhao.mit.edu）专注推动软材料和人机共融科技，最近的成果包括：

机理方法研究

• 首次提出干燥交联（dry-crosslinking）机理,用于粘合各种潮湿表面（wet adhesion）。发明人体双面胶（tissue double-sided tape），能够在5秒内粘合软湿组织器官和植入设备，并保持长期坚韧、柔软且生物兼容。Nature 575 (7781), 169-174 (2019)

• 首次提出3D打印铁磁软材料和软机器 Nature, 558, 274 (2018)

• 首次提出水凝胶超韧粘结 （tough adhesion）的机理并实现与各种材料的超韧粘结 Nature Materials 15, 190 (2016)
  

• 首次提出坚韧水凝胶高弹体聚合物（tough hydrogel-elastomer hybrid）并实现不干水凝胶 (anti-dehydration hydrogel) Nature Communications, 7, 12028 (2016)

• 首次实现超高抗疲劳断裂（anti-fatigue-fracture）水凝胶材料 Science Advances, 5: eaau8528 (2019)；PNAS,116 (21) 10244-10249 (2019)

• 首次提出3D打印超韧超弹水凝胶的方法并打印各种载细胞的超韧超弹水凝胶结构 Advance Materials, 27, 4035 (2015)

• 首次提出可重复折叠大面积石墨烯 Nature Materials, 12, 321 (2013)

• 首次发现并解释电致褶皱（electro-creasing）和电致空穴（electro-cavitation）现象  Physical Review Letters, 106, 118301 (2011)； Nature Communications, 3, 1157 (2012).

应用研究

• 首创铁磁软体导丝机器人，并遥控巡航复杂血管网络 Science Robotics, 4, eaax7329 (2019)

• 首创可食用水凝胶电子并用来长期监测核心体征 Nature Communications, 10， 493 (2019) 

• 首创可拉伸水凝胶电子 Advanced Materials 28, 4497 (2016)

• 首创液压水凝胶驱动器和机器人 Nature Communications, 8, 14230 (2017)

• 首创超高拉伸水凝胶光纤 Advanced Materials, 28, 10244 (2016)

• 首次实现各种医疗仪器上的超韧水凝胶涂层  Advanced Healthcare Materials,6,1700520 (2017); Advanced Materials, 1807101 (2018)

• 首创并3D打印可拉伸生命器件 （stretchable living devices）PNAS, 114, 2200 (2017)；Advanced Materials, 1704821 (2017)

• 首次应用力学失稳得到人工粘膜 PNAS, 115, 7503 (2018)

综述

• 定义水凝胶机器 (hydrogel machines) Materials Today (2020)

• 定义水凝胶生物电子学（hydrogel bioelectronics） Chemical Society Review, 48, 1642 (2019)

• 系统阐述水凝胶增强 （high strength）的机理 Proceedings of the National Academy of Sciences, 114, 8138 (2017)

• 系统阐述多种水凝胶增韧（high toughness）的机理 Soft Matter, 10, 672 (2014)

扩展阅读

 

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