水凝胶

刺激响应性纳米材料的发展为构建智能水凝胶驱动器提供了新的思路。

受胃肠道蠕动运动启发，制备了一种活性氧(ROS)与近红外(NIR)双响应的导电热-水凝胶驱动器(THA)，实现了粘性液体与固体物质的定向运输。

围绕肠道疾病微环境模拟、软体仿生驱动及体外药物筛选等前沿应用场景，韩国国立交通大学SungYoungPark等人设计并制备了一种活性氧(ROS)与近红外(NIR)双响应的管状导电热-水凝胶驱动器(THA)，系统探究了其在仿生肠道蠕动模拟与物质运输方面的应用潜力。

然而，现有水凝胶驱动器大多依赖外源性刺激，缺乏对疾病微环境中内源性ROS信号的特异性识别能力，难以实现病理状态下肠道的精准仿生驱动。

韩国国立交通大学SungYoungPark等：仿生智能水凝胶驱动器模拟肠道蠕动行为韩国国立交通大学SungYoungPark等：仿生智能水凝胶驱动器模拟肠道蠕动行为精选

活性氧/近红外双响应热-水凝胶驱动器的制备流程、分子机制及其在肠道蠕动仿生中的应用示意图。

综合三组实验，THA在物质运输方面的核心贡献可概括为两点：其一，它证明了管状水凝胶驱动器无需复杂的外部机械泵或电磁场，仅凭材料自身的内源性响应即可实现不同物理性质物质(液体、固体)的定向运输；

这一设计巧妙地解决了传统水凝胶驱动器仅依赖外源刺激、缺乏内源性病理信号识别能力的共性局限，实现了从“被动执行”到“智能响应”的功能跃升。

针对胃肠道疾病中氧化应激导致的肠道蠕动功能障碍这一长期被忽视的临床痛点，本研究跨越材料设计与仿生医学的学科边界，成功开发了一种兼具病理微环境感知、可控驱动与实时信号反馈功能的管状导电水凝胶驱动器。

该器件将溶胀于水-甘油二元溶剂中的粘附性水凝胶集成于液态金属与可拉伸银电极之间，形成全可拉伸结构。

该研究将溶胀于水-甘油二元溶剂中的高粘附性水凝胶集成在液态金属与可拉伸银电极之间，构建出全可拉伸的湿气发电机。

这项研究提出了一种不同于传统“增强交联”或“增加粘附基团”的水凝胶设计思路。

图1HEBH水凝胶的设计理念与多组织应用场景

该材料通过调控氢键在体相和界面之间的空间分布，实现了高体相强度与强湿态粘附的同步提升，为高性能组织封闭与修复水凝胶的设计提供了新的思路。

强韧生物水凝胶的表征

图中展示了高速相机捕捉到的塑料弹撞击水凝胶网络过程（图6j-l）。

将质量为176.23g、直径为35mm的实心铁球置于水凝胶网络上，网络能够完全支撑该铁球（图6e）。

此外，我们还利用该策略制备了具有优异力学性能的生物水凝胶纤维和生物水凝胶网络。

第三组保持水凝胶网络孔距为10mm等间距，同时将单根纤维直径设置为0.5mm、0.8mm和1.1mm。

随后比较三组水凝胶网络的力学性能（图6d、g-i）。

此外，CPTR策略还可用于制备水凝胶纤维（图1f）和水凝胶网络（图1g）

水凝胶网络结构越致密、越稳定，分子链间相互作用越强，破坏化学键并使其分解所需温度越高。

CPTR水凝胶纤维和网络的力学性能测试及应用

生物水凝胶纤维与网络的制备

硅胶管内的水凝胶前驱液经凝胶化和光化学交联后，使用金属可调连续分配器吸取去离子水，并通过水压将水凝胶挤出至硫酸铵溶液中，进行渐进训练和沉降，获得强韧单股水凝胶纤维。

基于此制备策略下的水凝胶纤维和网络结构的构建，为组织工程和再生医学等领域提供了广阔的应用前景。

HAH通过引入甘油，减弱聚合物链周围的水化层，暴露出更多促进氢键与界面粘附的官能团，从而增强水凝胶的粘附性。

低阻界面，高效输出：报道了一种具有本征粘附性的水凝胶，可形成牢固的水凝胶-电极界面，有效降低界面电阻，能实现形变过程中电荷的高效传递。

反之，弱界面则易引发局部应力集中，从而导致界面失效。

通过引入具有粘附性的水凝胶作为界面层，我们构建了一个稳定且共形的水凝胶-电极界面，有效缓解了界面失配问题，并抑制了机械变形所引发的分层现象。

III界面粘附增强离子传输机理分析本研究结合AIMD模拟与DFT计算，揭示了离子在高粘附性水凝胶-电极界面上的快速迁移机制。

如图所示，通过采用高粘附性水凝胶(HAH)构建多层可拉伸水凝胶湿气发电机(FSHMEG)的稳固界面，实现了层间高效的电荷传递与机械载荷转移。

本研究结合AIMD模拟与DFT计算，揭示了离子在高粘附性水凝胶-电极界面上的快速迁移机制。

该器件可与口罩、人体皮肤等弯曲表面共形贴合，在80%拉伸应变下仍保持高电流输出，性能是基于弱粘附性水凝胶(PAH)器件的2.1倍。

针对可拉伸水凝胶湿气发电机中因水凝胶与电极界面粘附较弱而导致的电输出性能不足及机械稳定性差等问题，哈尔滨工业大学田艳红团队提出了一种通过调控功能层间界面粘附性来提升器件性能的界面工程策略。

因此，如何在保持生物材料属性的同时，显著提升水凝胶的强度、韧性和加工适配性，是生物制造领域长期关注的问题。

我们的策略可使普通水凝胶强度提升2920倍，最大拉伸应力达到134.31MPa。

然而，如何将ROS响应性纳米材料与热响应水凝胶基质有机结合，构建能够在高ROS条件下实现选择性驱动的管状结构，并同步获取驱动过程中的信号变化，仍是该领域亟待解决的关键科学问题。

该系统的核心创新在于将二硒交联聚合物点负载聚多巴胺纳米粒子嵌入温敏水凝胶基质中，利用二硒键在高ROS条件下的特异性断裂触发PDA释放，进而赋予驱动器“按需响应”的近红外光热驱动能力。

通过调控不同PPS水凝胶单元的交联密度，不同致动单元在不同负载下表现出差异的弯曲状态，基于这一特点，作者建立了"负载-形变"动态编码规律，将不同驱动状态映射为"0"和"1"二进制信息。

然而，通过比较不同工艺组合下按聚合物密度归一化后的生物水凝胶力学性能可知，生物水凝胶力学性能的提升并不完全来自聚合物密度增加，而主要来源于工艺诱导的网络重构、链段取向、物理交联增强、能量耗散效率提升等因素。

因此，这种AI反馈驱动的工艺优化为利用CPTR提升水凝胶力学性能提供了技术支撑。

生物水凝胶的力学性能上限仍然有限。

HEBH在压缩、拉伸和压痕测试中均表现出优于传统水凝胶的力学性能，包括明显的应变硬化、更高的拉伸应力、良好的延展性以及更强的能量耗散能力。

图3HEBH水凝胶的力学性能与多尺度模拟分析

基于AI优化的CPTR水凝胶制备过程示意图

更新后的结果持续反馈进入循环，从而实现强韧水凝胶制备过程的智能化、动态调整（图1a）。

AI赋能下的强韧水凝胶制备结果。

强韧生物水凝胶的制备

目前，强韧水凝胶的制备策略主要包括动态牺牲相互作用、网络结构本征优化和多尺度异质结构构筑三大类。

此外，甘油的存在还赋予水凝胶优异的抗干燥、抗冻及抗溶胀性能，从而实现了器件的超长稳定运行。

然而，完全可拉伸的水凝胶湿气发电机(FSHMEGs)面临功能层间界面粘附弱的关键问题，导致在复杂形变下电输出低且机械性能脆弱。

AI辅助的强韧生物水凝胶AI辅助的强韧生物水凝胶精选

低阻界面，高效输出：报道了一种具有本征粘附性的水凝胶，可形成牢固的水凝胶-电极界面，有效降低界面电阻，能实现形变过程中电荷的高效传递。

所形成的牢固且耐用的水凝胶-电极界面不仅降低了界面电阻，确保了应变条件下的高效电荷传输，还防止了在大形变下发生分层。

甘油的引入增强了界面粘附，构筑出强韧耐用的水凝胶-电极界面，从而降低了界面电阻，并防止大变形下的分层失效。

甘油的引入暴露出更多的氢键官能团，增加了水凝胶与电极之间的有效接触位点，从而显著增强了界面粘附性。

反之，弱界面则易引发局部应力集中，从而导致界面失效。

通过引入具有粘附性的水凝胶作为界面层，我们构建了一个稳定且共形的水凝胶-电极界面，有效缓解了界面失配问题，并抑制了机械变形所引发的分层现象。

在传统HMEGs中，水凝胶与电极接触不紧密，易产生气隙并增加电阻，抑制电输出；

然而，通过比较不同工艺组合下按聚合物密度归一化后的生物水凝胶力学性能可知，生物水凝胶力学性能的提升并不完全来自聚合物密度增加，而主要来源于工艺诱导的网络重构、链段取向、物理交联增强、能量耗散效率提升等因素。

作者进一步系统研究了不同载荷下水凝胶致动行为的变化规律，发现随着负载增加，致动形变逐渐发生规律性变化，并建立了负载质量与致动形变行为之间的一一对应关系，为后续信息编码奠定了基础。

图6HEBH水凝胶促进皮肤创面修复

图5HEBH水凝胶促进口腔黏膜溃疡修复

扫描电镜(SEM)观察揭示了ROS对水凝胶孔结构的调控作用。

目前，强韧水凝胶的制备策略主要包括动态牺牲相互作用、网络结构本征优化和多尺度异质结构构筑三大类。