引言：水凝膠，作為一類由交聯聚合物網絡構成的親水性材料，因其獨特的物理化學性質，在過去幾十年里吸引了眾多研究者的極大興趣。其中，水凝膠的粘性——即其在接觸界面上表現出的黏附能力和內部分子間相互作用的粘滯性，成為了跨學科研究的關鍵焦點。不同于傳統的固體材料，水凝膠的粘性不僅源于分子間的氫鍵、范德華力或靜電相互作用，而且與其三維網絡結構的彈性和流體動力學特性密切相關。

水凝膠粘性的可控性和多功能性為各種應用場景開辟了廣闊的前景。在生物醫學領域，粘性水凝膠被廣泛用于傷口敷料、組織工程、藥物傳遞系統，以及微創手術器械的涂層。在環境科學中，粘性水凝膠可用于水處理，如污染物吸附和油水分離，顯示了其在生態修復方面的潛力。此外，電子學和機器人學領域也受益于水凝膠的粘性特性，例如，可拉伸的導電水凝膠作為柔性電子元件，以及具有觸覺感知功能的軟體機器人皮膚。

 

然而，水凝膠粘性的實現和調控面臨著諸多挑戰，包括如何在復雜環境中維持其穩定性，以及如何設計具有智能響應性和生物相容性的新型水凝膠材料。本文旨在回顧近年來水凝膠粘性領域的研究進展，探討其背后的科學原理，分析現有技術的局限性，并提出未來發展的可能性和方向。通過深入理解水凝膠粘性的本質，我們有望開發出更高效、更智能的水凝膠材料，以應對當前和未來的科技與社會需求。為此撰寫此文，旨在，為君未來研發提供點滴參考。

 

第一部分：水凝膠粘性應用的研究進展

 

主要集中在以下幾個方面：

 

設計策略與應用領域：近年來，粘性水凝膠的設計策略主要包括結構仿生、材料仿生和原理仿生。這些策略在可穿戴傳感器、生物醫用材料、執行器機器人和吸附分離等領域得到了廣泛應用[2]。例如，通過引入溫敏性組分和粘性組分，可以制備出具有多功能性的水凝膠，如溫度與力學雙重響應性的結構色水凝膠和自修復特性的水凝膠超級電容器[4]。

界面粘結機理與摩擦特性：水凝膠的粘結行為和摩擦特性受到界面作用力的影響。通過設計軟材料的高分子結構和研究其界面作用機理，可以實現強力粘結和水基潤滑[3]。此外，水凝膠的摩擦特性也受到時間效應及多種因素的影響，如剪切速度、法向載荷和溶液pH等[3]。

強韌化、結構化及功能化：為了提高水凝膠的力學性能和應用范圍，研究人員開發了多種強韌化、結構化及功能化的水凝膠。例如，雙網絡（DN）水凝膠通過引入不同的能量耗散機制來提高其力學性能[12]。此外，通過3D打印技術制備的PIC水凝膠展示了優異的自回復和修復性，以及可調節的離子鍵強度[12]。

生物醫學應用：水凝膠在生物醫學領域的應用主要包括組織工程支架、傷口敷料和藥物遞送系統等。生物黏合水凝膠因其良好的黏合強度和優異的生物相容性而備受關注[11]。此外，基于天然高分子材料的PIC水凝膠不僅具有優異的力學性能，還具有顯著的抗菌效果，有望在生物醫學領域得到更廣泛的應用[12]。

 

環境友好型水凝膠：隨著對環境保護意識的增強，開發環境友好型水凝膠成為研究的熱點。例如，水基膠粘劑的研究與應用進展表明，發展高品質、高性能、功能化、特種化的環保型綠色膠粘劑是膠粘劑行業發展的必然趨勢[20]。

總之，水凝膠粘性應用的研究進展涵蓋了設計策略、界面粘結機理、強韌化與功能化、生物醫學應用以及環境友好型等多個方面。未來的研究將繼續探索新的設計原則和制備方法，以進一步拓展水凝膠在各個領域的應用潛力。

 

第二部分：水凝膠在可穿戴傳感器領域的最新應用進展

 

水凝膠在可穿戴傳感器領域的最新應用研究進展主要集中在以下幾個方面：

水凝膠的水阻性和生物相容性的提升：為了克服傳統水凝膠在水下環境中的應用限制，研究人員致力于開發具有更好水阻性的導電水凝膠。這些水凝膠能夠在水下環境中保持結構穩定性和良好的傳感性能，為水下活動的安全和效率提供了重要支持[23]。

水凝膠的開發：通過改變導電填料、交聯方式或功能性添加劑，水凝膠可以實現獨特的性能和多樣化的功能，以適應不同的應用需求。例如，基于超吸收水凝膠的可穿戴應變傳感器能夠實時監測汗液量，而粘性可自愈的可穿戴水凝膠比色貼片則能按需監測汗液標志物[26]。

高靈敏度和機械強度的水凝膠傳感器：通過使用碳量子點等納米材料增強水凝膠的導電性和機械性能，研究人員成功制備了具有高靈敏度和足夠機械強度的水凝膠傳感器。這些傳感器在人體運動檢測和人機界面等方面展現出廣闊的應用前景[28]。

自修復和自粘附能力的增強：為了提高水凝膠傳感器的耐用性和用戶體驗，研究人員開發了具有自修復和自粘附能力的水凝膠。這些水凝膠不僅能夠有效延長使用壽命，還能在各種材料上表現出可重復的自粘合性能，從而提高了與皮膚等界面的貼合性[30]。

抗凍保濕性能的提升：針對傳統水凝膠在極端溫度條件下的應用限制，研究人員通過甘油溶劑置換策略提高了水凝膠的抗凍保濕性能。這種改進使得水凝膠能夠在低溫環境下保持良好的柔韌性和導電性，為遠程監測人體生命活動提供了新的思路[32]。

水凝膠在可穿戴傳感器領域的最新應用研究進展主要體現在其水阻性、生物相容性的提升，以及多功能性、高靈敏度、機械強度、自修復和自粘附能力的增強等方面。

 

第三部分：水凝膠結構對其界面粘結性能的影響

 

要通過設計軟材料的高分子結構來改善水凝膠的界面粘結行為和摩擦特性，可以采取以下幾種策略：

 

引入微結構作為彈性耗能器：根據[33]的研究，通過在水凝膠的粘結界面引入柱狀陣列微結構，可以顯著提高水凝膠的粘結能。這種微結構在未脫離前能夠承受大的變形，而在脫離時釋放儲存的彈性能量，從而大幅提高粘結能。此外，通過調整微結構的高度和寬度，可以進一步優化其對粘結能的提升效果。

利用溫度敏感性聚合物調節界面性質：如[34]所示，聚(N-異丙基丙烯酰胺) (PNIPAM) 微凝膠在空氣/水界面組裝時，其固態到液態的轉變與體積相變溫度相關聯，這一特性可以用來調控覆蓋在泡沫上的氣泡的滲透性以及泡沫的排水、穩定性和可發泡性。這種材料的使用可以在微觀層面上調控水凝膠的界面性質，從而改善其摩擦特性和粘結行為。

 

采用生物啟發的設計：[36]中提到的仿生微纖維結構與粘彈性終端薄膜的結合，展示了通過模仿自然界中的壓力敏感粘合劑來增強粘結力和調節裂紋傳播的能力。這種設計可以通過在水凝膠表面引入類似的微纖維結構和粘彈性層來實現。[72]探討了自然貽貝及其啟發材料中顯著濕粘附的基本相互作用機制，介紹了如何利用貽貝啟發構建塊的相互作用來工程化水凝膠。

 

由于貽貝是比較出名的一種粘附機制，在此概述了自2007年提出到2019年期間的研究情況。在2007年，Lee和Messersmith發表了關于“Mussel-inspired PDA”的研究論文；在2013年，Duan等人發表了關于“PDA/GO hydrogel for water purification”的研究論文；在2014年，Cho等人發表了關于“Mussel-inspired tissue adhesive”的研究論文；在2015年，Wang等人發表了關于“Tannic acid based shape memory hydrogel”的研究論文；在2016年，Xu等人發表了關于“Dopamine-triggered polymerization”的研究論文；在2017年，Lu等人發表了關于“PDA antifreezing/antieating hydrogel”的研究論文；在2018年，Han等人發表了關于“Transparent PDA-based hydrogel sensor”的研究論文；在2019年，Park等人發表了關于“Mussel-inspired light-responsive electronic skin”的研究論文。

利用超分子相互作用調控表面潤濕性：[38]中描述的雙刺激響應表面，通過簡單地在硅基底上制造聚(N-異丙基丙烯酰胺-共-亞丁基環己烯)共聚物薄膜，實現了在溫度和β-環糊精濃度變化下的親疏水切換。這種表面可以通過在水凝膠表面引入類似的超分子系統來調控其界面性質，從而改善其摩擦特性和粘結行為。

電響應超分子潤滑水凝膠：[42]中介紹的電響應超分子潤滑水凝膠，通過在共價網絡中引入電響應非共價超分子體系，實現了在電場作用下水凝膠表面產生潤滑層，從而調控水凝膠表面的潤滑性能。這種方法不僅可以改善水凝膠的摩擦特性，還可以通過電場調控其在油環境中的浸潤性。

 

第四部分：雙網絡水凝膠結構對其界面粘結性能的影響

 

雙網絡（DN）水凝膠的能量耗散機制主要依賴于其獨特的兩層網絡結構，這種結構由一個硬而脆的第一網絡和一個軟而韌的第二網絡組成。第一網絡在變形過程中通過斷裂來耗散能量，從而增韌整個水凝膠[48]。當第一網絡為具有重建能力的物理網絡時，雙網絡水凝膠表現出優異的抗軟化和機械穩定性[48]。

具體來說，DN水凝膠的設計允許在不同應力條件下通過不同的網絡層進行能量耗散。在低應變下，第一網絡作為犧牲相，通過解離離子交聯鍵來耗散能量，而第二網絡和第三網絡則共同作為彈性基質相[47]。在高應變下，第二網絡作為能量耗散相（此時離子交聯鍵已被破壞），而第三網絡則繼續發揮彈性基質的作用[47]。這種設計使得DN水凝膠在保持高水含量的同時，還能展現出出色的強度、延展性和斷裂韌性[46]。

此外，DN水凝膠的力學性能也受到其有效網孔大小的影響。與單網絡水凝膠相比，DN水凝膠的有效網孔大小更小，這有助于提高其應力-應變曲線中的突然增加的應力，尤其是在達到約100%應變時[43]。這種突然增加的應力是由于PEO在DN中達到完全拉伸狀態，對應于PEO單網絡中的260%應變，而在超過這一點后，鍵的拉伸和角度彎曲顯著增加[43]。

總結來說，DN水凝膠的能量耗散機制是通過其雙網絡結構實現的，其中第一網絡在低應變下耗散能量，而第二網絡在高應變下承擔能量耗散的角色。

 

第五部分：基于天然高分子的水凝膠在生物醫藥領域的應用

 

基于天然高分子材料的PIC水凝膠在生物醫藥zh中的應用案例主要包括以下幾個方面：

 

藥物緩釋和靶向傳輸：天然高分子材料如纖維素、殼聚糖、蛋白質等被廣泛用于制備具有特定交聯機制的水凝膠，這些水凝膠能夠實現藥物的緩釋和靶向傳輸。例如，通過物理或化學方法改性的淀粉、海藻酸鈉等親水性天然高分子可以作為藥物載體，實現對藥物釋放的精確控制[54]。

細胞外基質：天然高分子水凝膠因其良好的生物相容性和生物活性，被用作細胞培養基，支持細胞的生長和分化。例如，DNA-PNIPAAm水凝膠不僅具有良好的溫度敏感性能，還能通過簡單的化學反應修飾DNA鏈，保持其生物特異性，為細胞提供一個理想的生長環境[57]。

圖片

組織修復支架：天然高分子水凝膠在組織工程中作為支架材料，能夠促進組織的再生和修復。例如，通過修飾糖原并將其與膠原蛋白和羥基磷灰石結合形成的復合水凝膠，不僅具有適宜的機械性能，還能支持骨髓來源的間充質干細胞向成骨細胞或軟骨細胞的分化[59]。

 

傷口敷料：天然高分子材料如膠原蛋白、海藻酸鹽、甲殼素等被用于制備傷口敷料，這些敷料具有良好的生物相容性和生物降解性，能夠有效促進傷口的愈合。例如，將單寧酸接枝于明膠上形成的可注射復合水凝膠，不僅具有良好的粘合能力和生物降解性，還能促進成纖維細胞的增殖與遷移，有效提高傷口的愈合率[58][59]。

 

環境響應型水凝膠：基于天然高分子材料的環境響應型水凝膠，如對ATP有響應能力的水凝膠，能夠在特定環境下（如ATP的存在）發生形態變化或功能改變，從而實現對生物過程的調控。這類水凝膠的研究為生物醫學領域提供了新的工具和方法[61]。

 

第六部分：水凝膠應用面臨的挑戰

 

開發水凝膠的關鍵技術和挑戰主要包括以下幾個方面：

 

材料的選擇與合成：選擇合適的生物相容性好、易生物降解的材料是關鍵。例如，纖維素及其衍生物因其良好的生物相容性和環境友好性被廣泛應用于藥物控釋、組織修復等領域[63]。此外，使用可再生資源如生物質作為原料，以及通過綠色化學方法進行合成，也是實現環境友好型水凝膠的重要途徑。

智能響應性的設計與優化：智能水凝膠能夠對外界環境因素（如溫度、pH值、電場等）的變化產生顯著的體積或其他特性的變化[62][64][70]。因此，如何設計和優化這些智能響應性，以滿足特定應用的需求，是一個重要的研究方向。例如，通過構建具有不同結構的高強度智能水凝膠，如超低交聯結構水凝膠、納米顆粒復合水凝膠、拓撲結構水凝膠以及雙網絡結構水凝膠，可以提高其力學性能和環境刺激響應能力[62]。

快速響應特性的實現：在某些應用中，如化學傳感器、藥物控釋載體等，需要水凝膠具有快速響應特性[67]。因此，如何提高智能水凝膠的響應速率，同時保持其穩定性和可逆性，是另一個重要的挑戰。

 

環境可持續性的考慮：隨著對環境保護意識的增強，如何使水凝膠的生產過程更加環保，減少對環境的影響，成為了一個不可忽視的問題。例如，利用微生物產生的生物表面活性劑（biosurfactants），不僅具有低毒性和高活性，而且是可生物降解的，有助于環境污染物的清理和環境保護[66]。

應用領域的拓展：雖然環境友好型水凝膠在多個領域已顯示出巨大的應用潛力，但如何進一步拓展其應用范圍，特別是在新型材料、能源、醫療等領域的應用，仍然是一個長期的挑戰[71]。

 

結束語：隨著對生物體微環境理解和模擬的深入，未來的水凝膠將更精確地模擬人體組織的物理和化學特性。這將促進新型藥物遞送系統、組織工程支架以及生物粘合劑的發展，為個性化醫療和再生醫學提供更先進的工具。特別是，智能響應性水凝膠將能夠在體內特定條件下激活，實現精準治療。結合物聯網（IoT）和人工智能（AI），智能水凝膠將在環境監測、健康監護和智能家居等領域扮演核心角色。具有實時響應和數據傳輸能力的水凝膠傳感器將為遠程監控和即時決策提供支持，推動智慧城市和智慧醫療的建設。

 

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