水凝胶材料概述

        水凝胶是一种可以在水中发生溶胀但是不溶解的一类交联聚合物。亲水小分子可以在水凝胶中进行扩散。水凝胶的微观结构网络如图所示。

 广义的水凝胶包括物理凝胶和化学凝胶。

物理凝胶是通过物理作用力如静电作用、氢键、链的缠绕等形成的, 这种凝胶是非永久性的, 通过加热凝胶可转变为溶液。

化学凝胶是由化学键交联形成的三维网络聚合物, 是永久性的, 又称为真凝胶。

本文主要讨论具有交联网络结构的化学凝胶。

水凝胶的高含水量，良好的生物相使周围细胞的炎症反应最小化，因此，水凝胶具有应用于生物医学领域的巨大潜力。此外，天然水凝胶常具有能性，且来源丰富，具有绿色环保的优点，如透明质酸具有免疫调节、抗菌、抗氧化等特性，壳聚糖具有抗炎的作用；而人工合成水凝胶的结构和功能可以根据应用需要进行调节，这些优势使水凝胶近些年受到很多生物域的研究者们的青睐，无论是在组织工程中还是作为药物载体，它都显示了独特且明显的优势。

应用

1. 生物医疗领域

        生物基水凝胶可以作为药物缓释和靶向传输载体，其具有类似于人体组织结构的黏弹性和适宜的机械性能，已成为组织工程支架的理想材料；其丰富的孔隙结构和良好的保水性也适于药物的封装和缓释，在药物输送领域具有广泛的应用潜力。

        生物基水凝胶也可作为生物组织工程的修复材料，生物基水凝胶网络中含有大量的水分，同时具有很好的生物相容性和可降解性，是理想的生物组织工程修复材料。作为组织工程的水凝胶支架需满足一定技术标准，包括易加工性、生物降解性、生物相容性、生物活性和细胞黏附性等，以有效地发挥作用并促进新组织的形成。[3]下图为利用羧甲基壳聚糖和无定型磷酸钙合成的新型纳米粒子复合水凝胶，该水凝胶具有良好的生物相容性，可作为组织支架有效支持充质干细胞增殖和细胞黏附。

2. 导电水凝胶的应用

        通过导电聚合物自组装或者与亲水性聚合物共聚，亦或是引入导电盐、导电颗粒、碳纳米管等填充物到水凝胶中，可以合成具有导电性能的水凝胶材料。导电水凝胶由于其出色的柔性可拉伸特性及良好的导电性能，已然成为最具前景的柔性电子材料之一。其中，柔性可拉伸传感是导电水凝胶极为重要的应用领域，国内外研究者围绕导电水凝胶基传感器开展了大量的应用研究。

        导电水凝胶因其优异的柔韧性、拉伸性和高导电性，在柔性传感领域中前景广阔。以导电水凝胶为敏感材料设计的柔性传感器在生物医学、可穿戴电子设备、健康监测等方面表现出巨大的应用潜力。导电水凝胶基传感器尽管优点众多，但依旧存在不足，如高温干燥环境下水分蒸发以及低温下水分凝结，使得导电水凝胶基传感器的使用场景较为苛刻。

3. 自修复天然高分子水凝胶

        自修复天然高分子水凝胶具备了天然高分子生物相容性好、来源丰富、价廉易得且可生物降解等优势，加上其良好的自修复性能，能够解决传统水凝胶易裂解破损问题，极大程度延长了水凝胶的使用寿命，为解决水凝胶在实际应用中的局限性开辟了新的机会。近年来，研究人员通过在天然高分子水凝胶中引入纳米粒子（石墨烯、碳纳米管、MXene等）制备复合水凝胶、构建互穿网络结构以及引入主客体超分子相互作用等方法来进一步提高天然水凝胶的强度和韧性，增强其力学性能，从而扩展了其应用领域。

        目前，自修复天然高分子水凝胶虽受到了越来越多研究者的关注，但仍局限于组织工程、药物释放、伤口敷料等生物医学领域。未来可进一步丰富水凝胶的功能，结合光、电、磁刺激响应、形状记忆、导电性和3D打印等特性，拓宽其在软智能机器人、仿生电子皮肤、柔性可穿戴电子设备等创新领域的应用，实现水凝胶的智能化、工业化和商业化，推动自修复天然高分子水凝胶在生物材料和智能软材料领域的发展。