北海道大学龚剑萍团队《Macromolecules》封面文章：仿生水凝胶的制备--挑战与机遇

来源：高分子科学前沿

今年是Hermann Staudinger提出大分子理论100周年。 同样，在水凝胶领域，今年也是第一例合成水凝胶诞生60周年。1960年，Wichterle和Lim通过共聚甲基丙烯酸2-羟乙酯与乙二醇二甲基丙烯酸酯合成了第一个水凝胶。至此之后，水凝胶由于其独特的固液双特性引起了学者们广泛的研究兴趣。 特别是在过去的二十年中，水凝胶的研究取得了长足的进展。其方向从最初的基础科学研究扩展到了各个领域，包括水处理，人造器官，可穿戴电子设备和软体机器人等。如今，水凝胶已成为跨学科领域中研究最广泛的材料之一。

水凝胶通常被定义为含大量水的三维聚合物网络。典型的水凝胶可通过交联亲水型聚合物或聚合含交联剂的水溶性单体而简单地制备。最初，水凝胶的研究主要集中在化学交联型水凝胶的基本性能，例如溶胀/去溶胀的动力学及其平衡过程，溶质扩散，体积相变，摩擦，药载等方面。随着研究的不断深入，水凝胶的研究重点也从简单的聚合物网络慢慢转移到了“响应性”网络。在这一阶段，学者们制备出了大量能够响应各种环境条件变化的水凝胶，例如pH，温度和磁场等。并开发出了能够响应于电场和磁场的水凝胶致动器。然而，当时的水凝胶机械强度通常很差，这极大地限制了水凝胶的进一步应用。随着千禧年的到来，水凝胶也进入了一个崭新的时代，其机械性能得到了突破性的提高。这一成功使得水凝胶在跨学科领域得到了广泛的研究。如今，基于能量耗散机理制备出的水凝胶，其强度可以远优于肌肉和软骨等生物水凝胶组织。此外，水凝胶也拥有了更多的功能，例如自修复，多种刺激反应，粘附，超浸润性等。强韧水凝胶的突破性发展极大地扩展了这种材料在各种领域的潜在应用，包括软体机器人，人造器官，再生医学等。

但是，与生物软组织中的水凝胶相比，合成水凝胶在结构以及功能上仍然过于简单且单一。经过数亿年的进化，生物软组织获得了两个特征的结构。一是其含水结构。大多数软组织都含有50-85％的水。这种含水结构为动态生物过程提供了基础。另一特征是其精细的结构，这包括了从分子到宏观尺度的多组分，有序-无序的层次结构。正是这两个特征赋予了生物组织复杂的生理功能。相反，合成水凝胶通常具有无定形和各向同性的结构。因此，通过模仿生物水凝胶的这些结构，制备出具有优异性能的合成水凝胶面临极大的机遇。近年来，学者们为开发各种仿生水凝胶做出了大量的努力。

在大分子最新一期的前景展望文章中，北海道大学的龚剑萍教授及助理教授范海龙通过综述近几年发表的仿生水凝胶，从单体，聚合物，多层级聚合物网络，几何结构和形貌这四个尺度探讨了仿生水凝胶目前的研究现状以及机遇与挑战。

在展望部分，作者认为虽然通过分析并模仿生物系统已制备了大量出具有多种功能的仿生水凝胶。但是，与天然水凝胶相比，人造水凝胶仍处于起步阶段。不论是纳米尺度还是宏观尺度，合成水凝胶都远远落后于生物系统。实际上，生物系统具有精细结构的前提是其精确控制的生物聚合物单体序列。因此，聚合物材料最核心的基本问题是聚合物结构的精确控制，而这仍然是高分子化学中的主要挑战。尽管在过去的十年中，可控聚合取得了长足的进步，但高效合成并进行大规模生产以满足材料制备的需求仍然是一个巨大的难题。此外，目前的仿生水凝胶通常局限于一个尺度上进行模仿，而非多尺度。未来的仿生水凝胶应该更复杂；它们不仅应具有精确控制的单体序列，而且还应具有多尺度（微米至毫米）的多级网络结构。另一方面，尽管生物组织的优异功能归因于它们的高含水量和精细的结构，但是仍然缺乏对这些功能的科学解释。通过向自然界学习而获得的高性能水凝胶可以使我们揭示生物功能的机理，从而回答生物组织中各种结构具有哪些特殊功能等问题。

该论文于美国时间4月1日在线发表于Macromolecules（DOI：10.1021/acs.macromol.0c00238），并选为第53卷第8期杂志封面。论文第一作者为北海道大学化学反应设计与发现研究所（ICReDD-WPI）助理教授范海龙，通讯作者为北海道大学先端科学研究院，化学反应设计与发现研究所龚剑萍教授。

论文链接：

https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.macromol.0c00238

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