狂发13篇AFM，水凝胶究竟有多火？
奇物论
2021-04-29
1. AFM:指导T细胞趋化性的电磁螺旋水凝胶马达微型/纳米马达以其在生物医学，传感和纳米工程领域的革命性潜力吸引了蓬勃发展的研究热情。在提出的马达中，磁性微型/纳米马达以其高可控性和现场生物相容性而引起了人们的极大兴趣。然而，磁驱动特别是螺旋电机的制造需要昂贵且复杂的仪器，3D打印或掠射角沉积等。于此，中山大学彭飞、南方医科大学涂盈锋等人通过多功能装置设计了一种柔软且生物相容的螺旋聚乙烯醇（PVA）水凝胶马达。1）所获得的螺旋水凝胶马达为趋化因子CXCL12和超顺磁性氧化铁（Fe3O4）纳米颗粒提供了高容量，从而可以进行磁性处理。在低强度旋转磁场的作用下，该系统能够执行3D精确导航，这对于将机器人系统转向模型患病区域是必不可少的。2）来自水凝胶马达的趋化因子信号，充当合成的前导细胞，然后指导免疫T细胞趋化性迁移。在先前报道的细胞操纵马达系统中，展示了拖曳或推动单个/两个细胞的效率有限。该运动平台代表了一种指导内源细胞趋化性和组织免疫应答的新方法。Wang, Z., et al., Magnetic Helical Hydrogel Motor for Directing T Cell Chemotaxis. Adv. Funct. Mater. 2021, 2101648.https://doi.org/10.1002/adfm.2021016482. AFM:多功能注射水凝胶敷料有效加速伤口愈合细菌感染可导致慢性不愈合伤口，这可能对公共健康构成巨大威胁。迫切需要开发一种具有多种功能的可注射伤口敷料水凝胶，包括自我修复，重塑，抗菌，清除自由基的能力以及出色的光热特性，以促进临床实践中受损组织的再生。于此，西北农林科技大学王丽等人首次将多巴胺修饰明胶（Gel-DA）用作生物模板，以增强明胶的生物矿化能力，从而合成多巴胺修饰的明胶明胶@银纳米颗粒（Gel-DA @ Ag NPs）。1）制备的Gel-DA @ Ag NPs具有抗氧化活性和近红外（NIR）激光辐照协同抗菌性能，且通过形成硼酸盐/双二醇键固定在瓜尔豆胶基水凝胶中，具有重塑、注射和自愈性能。此外，多功能水凝胶可以完全覆盖不规则的伤口形状，防止继发性损伤。2）更重要的是，这些水凝胶平台在近红外下可以显著加速伤口愈合，出现更多的皮肤附属器，如毛囊和血管。因此，这些水凝胶有望成为生物医学领域具有竞争力的多功能敷料，包括细菌性伤口感染和其他与活性氧过表达相关的组织修复。Zhang, H., et al., Multifunctional Injectable Hydrogel Dressings for Effectively Accelerating Wound Healing: Enhancing Biomineralization Strategy. Adv. Funct. Mater. 2021, 2100093.https://doi.org/10.1002/adfm.202100093一些两亲性嵌段共聚物的水溶液在加热时会发生溶胶-凝胶转变，因此被称为热凝胶。在热凝胶家族中，某些系统还会在溶胶-凝胶转变之后的更高温度下呈现出凝胶-溶胶（悬浮）转变，这在生物医学应用中通常被忽略。于此，复旦大学丁建东等人首次报道了同时使用溶胶-凝胶转变和凝胶-溶胶（悬浮）转变的案例，这是在开发用于皮肤病光动力疗法（PDT）的含有5-氨基乙酰丙酸的透皮水凝胶制剂的过程中发现的。1)研究人员合成了两种不同嵌段长度的PLGA-PEG-PLGA三嵌段共聚物。通过改变共混比，可以很容易地调节配方的转变温度，以满足溶胶-凝胶转变温度（Tgel）<室温（t< span="">air）<凝胶-溶胶（悬浮液）温度（t< span="">sol（悬浮液））<体温（t< span="">body）的条件。2)因此，涂抹在皮肤上后，外部为水凝胶，内部为溶胶（悬浮液）的自发不对称配方可以避免自由流动，实现快速释放，以确保有效的PDT。这项研究通过“嵌段共混”生物材料的特性和药物释放曲线，以及细胞实验、体外渗透和体内透皮给药研究证明了这一概念。Cao, D., et al., An Intelligent Transdermal Formulation of ALA‐Loaded Copolymer Thermogel with Spontaneous Asymmetry by Using Temperature‐Induced Sol–Gel Transition and Gel–Sol (Suspension) Transition on Different Sides. Adv. Funct. Mater. 2021, 2100349.https://doi.org/10.1002/adfm.2021003494. AFM:明胶-透明质酸点击交联的冷冻凝胶阐明了人类巨噬细胞的入侵行为传统上，水凝胶转移模型着重于癌细胞的侵袭。但是，肿瘤微环境中与转移相关的其他细胞也具有迁移的能力。巨噬细胞表型在肿瘤微环境中起关键作用，但了解它们在可调3D体外模型中的迁移仍然有限。为了进一步了解巨噬细胞的侵袭行为，多伦多大学Molly S. Shoichet等人合成了由点击交联的明胶-氧胺和透明质酸-醛（GELox-HAa）组成的稳定、透明的肟交联的冷冻凝胶。1）掺入了纤连蛋白衍生的、经过氧胺修饰的PHSRN-RGDSP肽，可进一步模拟肿瘤细胞外基质，而不会影响冷冻凝胶的力学性能。研究发现，原代人巨噬细胞在具有更大孔隙率和孔径的冷冻凝胶中迁移到更大的深度。2）为了更好地了解迁移机制，可以用基质金属蛋白酶（MMPs）抑制剂或rho相关蛋白激酶（ROCK）抑制剂处理细胞，并且发现了主要由MMP介导的侵袭机制。巨噬细胞极化研究表明，抗炎、白细胞介素4/13（IL4/IL13）处理的巨噬细胞通过冷冻凝胶的迁移程度大于促炎、干扰素γ/脂多糖（IFNγ/LPS）处理的细胞。3）有趣的是，极化的巨噬细胞通过阿米巴式运动和间充质迁移的结合而穿过冷冻凝胶。这些巨噬细胞在这种冷冻凝胶平台中的入侵发现为他们在仿生肿瘤微环境中进一步研究奠定了基础。Bahlmann, L. C., et al., Gelatin‐Hyaluronan Click‐Crosslinked Cryogels Elucidate Human Macrophage Invasion Behavior. Adv. Funct. Mater. 2021, 2008400.https://doi.org/10.1002/adfm.2020084005. AFM：用于肿瘤高效治疗的多响应性生物降解阳离子纳米凝胶制备简单、模块化设计和多响应性对于开发满足异构应用的通用纳米平台是非常关键的。在此，德国德国莱布尼兹材料研究所Andrij Pich、东华大学史向阳、同济大学Yu Luo等人对阳离子纳米凝胶(NGs)进行模块化设计，使其具有可调的响应性、多功能性和生物降解性。1）采用一步法制备了具有核壳结构的阳离子聚氯乙烯（PVCL）基NGs。形成的PVCL-NH2 NGs具有均匀的尺寸、热/pH双响应行为和氧化还原引发的降解。此外，NGs可被用于修饰或负载各种功能剂，以模块化的方式构建多用途纳米平台。2）值得注意的是，制备了一种新型的杂化结构，将硫化铜（CuS）纳米颗粒负载在NGs壳中，其光热转换效率（31.1%）高于其他报道的CuS随机负载的NGs。3）通过个性化定制，这些功能化的NGs显示出荧光特性、r1弛豫性、强近红外吸收、良好的生物相容性和靶向特异性。杂化NGs优越的光热效应(CuS@NGs-LA）在NIR II而非NIR I下呈现。4）重要的是，杂化NGs封装阿霉素(CuS@NGs-LA/DOX)显示出内源性pH/氧化还原和外源性NIR多级触发药物释放用于高效光热化疗，从而实现完全消除晚期肿瘤并有效抑制复发。综上所述，通过工程化模块化策略开发的，基于具有可调响应性、通用性和生物降解的智能阳离子NGs的普遍纳米平台可用于精密医学应用。Xin Li, et al. Multi‐Responsive Biodegradable Cationic Nanogels for Highly Efficient Treatment of Tumors. Adv. Funct. Mater., 2021.DOI: 10.1002/adfm.202100227https://doi.org/10.1002/adfm.202100227天然细胞外基质（ECM）通常表现出动态力学性能，并且在粘弹性行为（例如应力松弛和蠕变）方面表现出对变形或机械载荷的时间依赖性响应。ECM的粘弹性在发育、体内平衡和组织再生中起着至关重要的作用，最近还认识到它对疾病进展的影响。具有可调节粘弹性的水凝胶有望重现天然ECM中这种随时间变化的机理，最近已被用于调节细胞行为和指导细胞命运。1）西安交通大学徐峰教授等人在该综述中首先强调了组织粘弹性的重要性，总结了水凝胶粘弹性的分子机理，并综述了在宏观和微观尺度上使用的表征技术。2）然后，描述了通过改变交联策略开发具有可调粘弹性的新型水凝胶的最新进展，粘弹性细胞微环境的工程化及其对细胞行为和命运的实质性影响，随后讨论了潜在的力学生物学机制。3）最后，对粘弹性水凝胶的设计和调控以及细胞对粘弹性细胞微环境反应的力学生物学机制进行了展望。Ma, Y., et al., Viscoelastic Cell Microenvironment: Hydrogel‐Based Strategy for Recapitulating Dynamic ECM Mechanics. Adv. Funct. Mater. 2021, 2100848.https://doi.org/10.1002/adfm.2021008487. AFM: 自适应离子凝胶涂料，用于可拉伸和可修复的电子产品在绝缘衬底上开发一种通用的可拉伸离子导体涂层，无论其表面化学性质和衬底形状如何，对于兼容和集成的大面积电子器件来说都是一个巨大的挑战。现有的方法依赖于聚合前体的同时沉积或分散的配方和涂装工艺，这两种方法在粘合性、脱水性、可加工性和表面预处理方面都受到一些限制。于此，东华大学武培怡、孙胜童等人报道了一种在环境条件下由天然小分子-α-硫辛酸（TA）的浓度诱导自主开环聚合制备的离子凝胶涂料。1）离子液体的存在阻止了polyTA通过形成COOH···O=S氢键进一步解聚，从而形成具有广泛可调机械和导电性能、自修复性以及组织样应变适应性的超拉伸离子凝胶。2）此外，由于其普遍的粘合性和可调节的流变性，离子凝胶涂料可以直接涂覆在具有任意形状的各种基底上（包括多孔材料、3D打印框架和弹性线），以使其具有离子导电性。进一步论证了离子凝胶涂层作为皮肤状高灵敏度和耐久性大应变传感器的应用，表明离子凝胶涂料在新兴的软性和可伸缩性电子产品中具有巨大的潜力。Wang, Y., et al., Adaptive Ionogel Paint from Room‐Temperature Autonomous Polymerization of α‐Thioctic Acid for Stretchable and Healable Electronics. Adv. Funct. Mater. 2021, 2101494.https://doi.org/10.1002/adfm.2021014948. AFM: 导电水凝胶基电极和电解质用于可拉伸和自修复超级电容器可拉伸的自修复超级电容器（SC）可以在极端变形下工作，并在损坏后恢复其初始性能，从而大大提高了耐久性和可靠性，从而扩大了其在众多应用中的机会，包括智能可穿戴电子设备、生物启发性设备、人机交互等。然而，要在储能技术中实现机械拉伸性和自愈性是一项挑战，其中关键问题在于开发理想的电极和电解质材料，该材料除了具有导电性外，还具有出色的机械拉伸性和自愈能力。导电水凝胶（CHs）具有独特的分级多孔结构，高电/离子电导率，通过分子设计和结构调节可广泛调节的物理和化学性质，为可拉伸的自愈性SC带来了广阔的前景。因此，南京邮电大学赖文勇等人综述了导电水凝胶基电极和电解质用于可拉伸和自修复超级电容器的相关进展1）本综述的创新之处在于侧重于SC的可拉伸和自修复的基于CH的电极和电解质。2）首先，介绍了CH的常见合成方法。然后系统地阐述了CHs涉及的伸展和自我修复策略；其次是对CHs传导机理的解释；然后专注于可伸缩自修复SC的基于CH的电极和电解质；随后，讨论了可伸缩和自我修复的SC在可穿戴电子产品中的应用；最后，得出了结论以及对SC的CH领域所面临的挑战和未来研究方向的看法。Cheng, T., et al., Conductive Hydrogel‐Based Electrodes and Electrolytes for Stretchable and Self‐Healable Supercapacitors. Adv. Funct. Mater. 2021, 2101303.https://doi.org/10.1002/adfm.2021013039. AFM: 耐环境导电纳米复合有机水凝胶作为柔性应变传感器和可持续电子电源导电水凝胶（CHs）凭借其出色的理化特性（例如大的可拉伸性和高电导率）在柔性应变传感器和可拉伸的摩擦电纳米发电机（TENGs）的设计中得到了广泛的应用。然而，以水溶剂为分散介质，CHs的偶然冻结和干燥行为大大限制了它们的应用范围。于此，北京化工大学万鹏博、郑州大学代坤等人通过简单的溶剂替代策略证明了一种耐环境且可超拉伸的有机水凝胶，其中用甘油替换所合成的聚丙烯酰胺/蒙脱石/碳纳米管水凝胶中的部分水，从而具有出色的温度耐受性（-60至60°C）和良好的稳定性（在正常环境下为30天），而不会牺牲拉伸性和导电性。1）有机水凝胶具有超宽的应变感应范围（0–4196％），具有8.5的高灵敏度，可以有效地检测和区分在各种条件下温和或剧烈的人类活动。2)此外，有机水凝胶在单电极TENG中组装，即使在500％的可拉伸性下仍显示出出色的能量收集能力，并且在恶劣的寒冷条件下对可穿戴电子设备直接供电具有鲁棒性。这项工作为多功能有机水凝胶开辟了一条简单的途径，并有望在极端环境中实际应用柔性且自供电的可穿戴设备。Sun, H. L., et al., Shen, C. Y., Environment Tolerant Conductive Nanocomposite Organohydrogels as Flexible Strain Sensors and Power Sources for Sustainable Electronics. Adv. Funct. Mater. 2021, 2101696.https://doi.org/10.1002/adfm.20210169610. AFM: 离子导电有机水凝胶具有动态模式行为和多环境稳定性多环境耐受性水凝胶已受到广泛关注，并有望作为智能材料应用于多种环境（例如水，油，冷冻和干燥）。但是，尚未充分利用有机水凝胶在不同溶剂中的宏观变化和抗溶胀机理及其相应的应用。于此，上海交通大学李华、陈玉洁等人制备了在多种环境中具有优异的机械性能和独特的行为（信息识别和加密）和机械感测的离子有机水凝胶。1）所制备的有机水凝胶由于不良溶剂中的微相分离和适当溶剂中的溶胀，而在不同溶剂中显示出明显的透明变化，并且可以被视为用于记录和加密信息的动态信息存储装置。此外，由于水和二甲基亚砜（DMSO）之间的相互作用，有机水凝胶显示出显著的耐冷冻性（-90至20°C）和保湿保持性能（15天后为76％）。2）另外，离子导电水凝胶在冷冻、干燥条件以及油或水环境中表现出出色的人体运动检测和生理信号响应，并显示出稳定的机械感测性能。可以预见，有机水凝胶的设计策略和机理研究可能有望在恶劣环境下用作生物传感器和信息识别平台。Liu, J., et al., Ionic Conductive Organohydrogels with Dynamic Pattern Behavior and Multi‐Environmental Stability. Adv. Funct. Mater. 2021, 2101464.https://doi.org/10.1002/adfm.20210146411. AFM:基于可切换离子极化的机械感受器启发的动态机械刺激感知多样化的触摸体验为实现更大的人机交互提供了一条途径，这对于触觉技术的发展至关重要。基于摩擦电的触摸传感器的最新进展在成本、设计简单和使用更广泛的材料方面提供了巨大的优势。由于性能仅依赖于材料之间的接触带电水平，基于摩擦电的接触传感器不能有效地用于测量给定机械力下材料的变形程度。于此，韩国成均馆大学Sang‐Woo Kim等人报道了一种基于离子掺杂明胶水凝胶（IGH）的触摸传感器，它不仅能识别与物体的接触，还能识别物体在一定力下的变形。1）当明胶水凝胶接触和变形时，可切换的离子极化有助于实现不同的传感机制。结果表明，离子极化依赖于水凝胶的导电性。2）使用电压扫描的定量研究表明，较高的离子迁移率和较短的德拜长度有助于提高机械刺激感知传感器的性能。已成功地证明了这种传感器提供动态变形响应信号，可用于控制微型汽车的运动。这项研究拓宽了离子水凝胶传感器在人机通信系统中的潜在应用。Yoon, H.‐J., et al., Mechanoreceptor‐Inspired Dynamic Mechanical Stimuli Perception based on Switchable Ionic Polarization. Adv. Funct. Mater. 2021, 2100649.https://doi.org/10.1002/adfm.20210064912. AFM: 一种新型超拉伸、可变模量、形状记忆多功能水凝胶
传感器和软机器人技术的迅速发展，极大地增加了对各种高性能水凝胶的需求。然而，通过简易方法制备多功能水凝胶仍然是一个挑战。通过丙烯酰胺（AM）和丙烯酰Plutronic 127（PF127-DA）共聚，四川大学楚合涛、李建树等人制备了一种由动态胶束海岛结构衍生的新型超可拉伸，可变模量，坚韧，低滞后，透明和形状记忆的水凝胶。1）其中，该水凝胶具有超拉伸（435–2716%，10–40 wt%）、可变模量（0.36–112.79 MPa、30 wt%）、坚韧（1.13–7.17 MJ m−3、10–40 wt%）、低滞后（约10%、30 wt%）、透明（27.98–83.78%、10–40 wt%）和形状记忆（固定率可达97%，恢复率可达100%，10 wt%）。2）使用溶剂诱导的PF127-DA分子链的聚环氧乙烷链段结晶和基质体积相变以实现可变模量和形状记忆的新策略是可以循环执行的纯物理过程。值得注意的是，该设计反映了PF127-DA胶束在优化机械性能和智能方面的重要作用。3）此外，PAM / PF127水凝胶对可变形性、弹性、溶剂诱导的形状记忆和可变模量特性表现出很高的敏感性，可用于应力传感器、阻尼垫和机械轴承。这些新颖类型的水凝胶可适用于多功能和适应性平台。Li, Y. Y., et al., Ultra‐Stretchable, Variable Modulus, Shape Memory Multi‐Purpose Low Hysteresis Hydrogel Derived from Solvent‐Induced Dynamic Micelle Sea‐Island Structure. Adv. Funct. Mater. 2021, 2011259.https://doi.org/10.1002/adfm.20201125913. AFM: 基于多刺激响应蛋白的水凝胶的4D打印，可进行自主形状转换可以响应于施加的外部刺激而改变形状的刺激响应水凝胶对于软机器人，生物医学设备，药物输送和致动器具有吸引力。但是，现有的3D打印形状变形材料不可生物降解，这限制了它们在生物医学应用中的使用。于此，华盛顿大学Alshakim Nelson等人开发了一种3D打印的基于蛋白质的水凝胶，并将其应用于在温度、pH或酶的作用下可编程的结构变化。1）该策略成功的关键是在存在N-异丙基丙烯酰胺或甲基丙烯酸2-二甲基氨基乙基酯的情况下，使用甲基丙烯酸化的牛血清白蛋白（MA-BSA）作为Pickering乳液凝胶的可生物降解的基础。这些剪切稀化凝胶非常适合多层刺激响应水凝胶的直接墨水写入（DIW）3D打印。2）聚（N-异丙基丙烯酰胺）和聚（甲基丙烯酸二甲氨基乙基酯）可以在打印物体中引入温度和pH响应特性，该策略的独特之处在于基于牛血清白蛋白网络降解的酶促形状转换。为了突出这种技术，制造了基于蛋白质的水凝胶，该蛋白质可根据环境温度和pH值可逆地改变形状，并通过酶促降解不可逆地改变，这证明了可引入4D打印系统的复杂性。Narupai, B., et al., 4D Printing of Multi‐Stimuli Responsive Protein‐Based Hydrogels for Autonomous Shape Transformations. Adv. Funct. Mater. 2021, 2011012.https://doi.org/10.1002/adfm.202011012
