HYDROGEL

水凝胶研究进展

近年来，水凝胶的研究取得了显著进展，主要集中在高性能水凝胶的设计与开发、生物医学应用、组织工程、药物释放以及传感器等领域。例如，研究人员开发出pH/氧化还原双重响应的纳米乳液嵌入型水凝胶，用于镁离子的高效口服递送和肠道控释。此外，水凝胶在组织工程中展现出巨大潜力，如通过构建均质块状的壳聚糖/卡拉胶复合水凝胶，成功应用于软骨修复。在药物载体方面，水凝胶能够实现药物的缓控释放，延长药物滞留时间，提高治疗效果。同时，水凝胶在伤口敷料和柔性传感器等领域的应用也不断拓展，展现出良好的生物相容性和机械性能。这些进展表明水凝胶在多个领域具有广阔的应用前景。

导电水凝胶，尤其是PEDOTs基导电水凝胶，兼具优异的拉伸性、导电性和可加工性，在柔性电子、生物医学工程和能源设备等领域受到广泛关注。通过不断优化PEDOTs基导电水凝胶的材料设计和制造技术，不仅实现了材料综合性能的稳步提升，还实现了与3D打印、光刻等先进制造技术的深度融合，从而推进了PEDOTs基导电水凝胶在复杂场景中的应用。

1. 防冻机制与制备方法

  • 基于溶质的防冻策略：通过引入高浓度的溶质（如乙二醇、甘油等）来降低水凝胶的冰点，从而实现防冻性能。例如，Zhu等通过溶剂置换法将甘油引入水凝胶中，制备出在-20℃下仍具有优异防冻性和保湿性的有机水凝胶。此外，无机盐（如氯化锂）的加入也能显著降低水的冰点，改善水凝胶的抗冻能力。
  • 离子液体与有机溶剂的结合：离子液体和有机溶剂（如二甲基亚砜）的使用也是防冻水凝胶的重要策略。这些物质可以破坏水分子间的氢键网络，降低水的冰点。
  • 生物大分子与仿生设计：受自然界中生物体的抗冻机制启发，研究人员通过引入抗冻蛋白（AFPs）或构建疏水/亲水异质结构来开发防冻水凝胶。

2. 抗冻性能提升

  • 防冻水凝胶的抗冻性能提升机理主要包括以下几点:
  • 通过引入抗冻剂或提高结合水含量，改变水凝胶中水分子的状态，抑制冰晶的形成。
  • 通过设计玻璃态结构或三重网络结构，增强水凝胶的力学性能和稳定性。
  • 应用功能交联剂，形成紧密交联的聚合物网络，诱导强水网络结合。这些机理共同作用于水凝胶，使其在低温下保持良好的性能和稳定性。

3. 性能研究

  • 力学性能：通过优化制备方法和材料组成，防冻水凝胶的力学性能得到了显著提升。含有稠密氢键缔合结构的玻璃态水凝胶，具有优异的本征抗冻性能和低温力学性能。
  • 电学性能：在低温环境下保持良好的导电性是防冻水凝胶的重要性能之一。如采用“一锅”法在水/甘油的二元溶剂中构建的MXene和聚丙烯酰胺的聚合物网络体系，制备的复合有机水凝胶具有优异的导电性；通过杂化氢键策略开发的抗冻水凝胶，在零度以下的温度下仍能保持良好的导电性。
  • 自修复性能：一些防冻水凝胶还具有自修复性能。如上述提到的基于防冻、自修复纳米复合水凝胶的柔性传感器，在-20℃下1.3小时内达到81.7%的自愈合率。

4. 应用拓展

  • 生物医学领域：水凝胶应用广泛。新型可注射自愈性水凝胶作为药物载体，能在体内修复，提高肿瘤治疗效果；含自愈、抗菌和药物缓释放特性的水凝胶，对创伤愈合有效；它还能模拟细胞外基质，助力组织工程修复，引入识别分子后，可用于快速准确检测生物标志物。
  • 环境保护领域:水凝胶作用显著。它可作为高效污水吸附剂，通过设计特定功能，去除重金属离子和有机污染物，还能与微生物结合降解污染物。同时，水凝胶能改良土壤，保水保肥，改善土壤结构，助力受污染土壤修复和生态恢复。
  • 智能材料领域:水凝胶大显身手。凭借优良的柔性和可延展性，它能用于制造可穿戴设备、柔性显示屏，带来更好使用体验。同时，作为压力敏感材料，可制造压力、触觉传感器，灵敏检测多种物理量，在智能制造和生物医学工程等领域前景广阔。

5. 能源领域

  • 电池电极材料：水凝胶具有良好的电化学性能，可作为电池电极材料，用于提高电池的性能和稳定性，如应用于锂离子电池等。
  • 超级电容器：可用于制备超级电容器，实现高效能量存储，有助于提高能源存储设备的性能，为新能源产业发展提供支持。

6.食品与农业领域

  • 果蔬保鲜：水凝胶可以用于果蔬保鲜，通过形成保护膜，减少水分流失，抑制微生物生长，延长果蔬的货架期，保持其新鲜度和品质。
  • 土壤改良与保水：水凝胶具有良好的吸水性和保水性，能在土壤中吸收并保持大量水分，缓慢释放供植物吸收利用，有助于提高土壤的保水能力，减少灌溉频率，提高水资源利用效率，尤其适用于干旱地区的农业生产。
  • 肥料缓释载体：可将肥料包裹在水凝胶内部，实现肥料的缓慢释放，提高肥料的利用率，减少肥料的流失和浪费，降低对环境的污染，同时为植物生长提供持续的养分供应。