功能性坚韧水凝胶：设计、加工和生物医学应用

功能性坚韧水凝胶：设计、加工和生物医学应用

        水凝胶是一种高含水量的软材料，具有广泛可调的物理化学性质，类似于软组织。在具有良好生物相容性、合适的生物活性和可控几何形状的工程水凝胶方面取得了巨大进展，使其成为广泛应用的有前景的候选者。然而，传统水凝胶通常具有较弱的机械性能，限制了其在涉及承载和持久机械变形的生物医学环境中的使用。受生物组织极端力学性能和多尺度分级结构的启发，已经开发出了机械坚固的坚韧水凝胶。将坚固的机械性能和其他所需的性能特性结合在功能性坚韧水凝胶中，扩大了其在生物医学领域的机会。本报告旨在引导读者了解功能性坚韧水凝胶的最新进展，重点关注分子/结构设计和新型制造，特别是围绕我们小组报告的工作。同时，讨论了用于多种生物医学应用的功能性坚韧水凝胶，强调了其相关应用的潜在机制。作者首先从软材料力学的角度介绍坚韧水凝胶和水凝胶粘合剂的定义、测量和设计原理。通过将机械耗散构建到可拉伸水凝胶中以实现应力均匀化或能量耗散的各种分子和结构工程方法被用于制备坚韧的水凝胶。阐述了基于分子工程的同质水凝胶网络结构设计和基于结构工程的异质水凝胶设计。传统的基于能量耗散的坚韧水凝胶通过牺牲键或组分增强，导致在随后的加载循环中韧性显著降低。为此，已经开发了新的分子设计，包括高度纠缠的水凝胶和滑环水凝胶，以解决韧性-磁滞冲突。此外，新的加工技术，包括盐析、冷冻铸造和三维（生物）打印，被用来操纵坚韧水凝胶制造的多尺度结构和几何形状。作为近年来研究最活跃的一些材料，功能性坚韧水凝胶在生物粘合剂/涂层、组织工程支架、软机器人/致动器和生物电子接口等方面正找到有前景的应用。坚韧生物粘合剂/涂层的发展在于在坚韧水凝胶和底层基质之间建立牢固的界面连接，在伤口闭合和药物递送方面具有广泛的应用。坚韧的水凝胶也被广泛研究用于组织工程和再生医学，尽管机械稳健性和细胞功能之间的冲突限制了它们的实际应用。具有刺激响应性形状变化和压力触发致动的柔性和顺应性坚韧水凝胶使其成为处理软组织的生物医学设备的致动器和软机器人的良好候选者。导电坚韧水凝胶也已被广泛用于生物电子学。最后，作者强调了主要挑战，并强调了开发用于实际生物医学和医疗应用的下一代功能性坚韧水凝胶的趋势。

文章链接：https://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/accountsmr.2c00026