作为一个经典领域，水凝胶（Hydrogel）具有高生物安全性等优异性能，自1894年第一次被报道以来，研究热度不减反增。从2018年起，水凝胶相关论文以每年10000篇的速度被发表，并且活跃在Science、Nature等各大期刊，主要涉及的领域包含再生医学、生物电子学、环境保护与监测、组织工程、类器官培养基质等。

水凝胶为什么这么火呢？

究其原因，水凝胶有着更好的可调控性、更多的应用形式和更接近人体组织的相似性，使其从基础研究逐渐迈入“智能时代”，人们对水凝胶的了解和应用也更加深入，特别是在生物医学领域，包括3D细胞培养、类器官培养、组织工程、药物输送系统、伤口敷料、生物传感器、隐形眼镜、人工细胞等都取得了重大突破！

本期整理3篇2025年以来Science、Nature等报道的水凝胶的最新进展，一起看下吧~

-115℃到143℃可保持柔软和拉伸性的水凝胶

水凝胶由高度肿胀水的交联聚合物组成。温度变化期间水分的蒸发或冻结会导致水凝胶变硬变脆。 

2025年2月27日，Science报道研究人员引入了一种称为“水力锁定”的策略，通过在水凝胶的聚合物网络中固定水分子来解决这一问题，具体方法是利用硫酸在水分子与聚合物之间建立强连接。此外，引入一种牺牲网络（sacrificial network）来保护主要聚合物网络免于坍塌。在“水锁”模式下，一种海藻酸盐-聚丙烯酰胺双网络水凝胶在从-115℃到143℃的温度范围内仍能保持柔软和可拉伸。

研究人员以海藻酸盐-聚丙烯酰胺双网络水凝胶（DN-gel）为模型材料，通过H₂SO₄处理来展示“水锁”策略。将DN-gel浸泡在不同浓度的H₂SO₄溶液中，制备出硫酸水凝胶（S-gel）。

“水锁”（hydro-locking）技术延缓水凝胶中所有组分的相变过程。差示扫描量热法结果表明水凝胶在-115℃到143℃的温度范围内没有发生相变。海藻酸的水解不仅将硫酸根固定在聚合物网络上，扩大了锁定水分子的空间区域，还促进了在后续碳化过程中海藻酸的牺牲，形成保护性碳层。

该项工作中的策略适用于多种水凝胶和溶液，可能使材料甚至生物体在极端温度下的保存和观察成为可能。

文献名称：Hydro-locking in hydrogel for extreme temperature tolerance

基于水凝胶的血栓炎症芯片模型

血栓炎症是多种疾病（如脓毒症、镰状细胞病、严重创伤等）中常见的病理过程，其特征是血栓形成与炎症反应的相互作用，导致微血管阻塞和终末器官损伤。然而，由于微血管结构微小（<100μm）且血栓溶解过程漫长，传统研究方法（如动物模型或静态体外实验）难以动态观察血栓溶解的细节。

2025年4月2日，Nature报道研究人员成功开发出一种基于水凝胶的“血栓炎症芯片”（thromboinflammation-on-a-chip）模型。该模型能够模拟人体微血管中的血栓炎症动态过程，并首次实现长达数月的血栓溶解过程监测，为理解微血管疾病机制和药物开发提供了全新工具。

利用这种微流控芯片系统，研究人员绘制了微血管血栓炎症中血栓消散的不同时间阶段。结合多重RNA原位杂交技术，发现炎症使内皮细胞的纤溶平衡倾向于促进血栓形成，并确定中性粒细胞弹性蛋白酶是一把双刃剑，既能促进血栓消散，又会导致组织损伤。

研究人员进一步探索了潜在治疗药物的作用机制，这些药物可以预防微血管血栓形成或加速血栓消散。具体而言，他们观察到在血栓炎症中，（1）在3小时内早期使用组织型纤溶酶原激活剂可直接改善内皮屏障功能；（2）预防性使用去纤维蛋白和依诺肝素通过内皮介导的机制抑制微血管血栓炎症；（3）将依诺肝素与克里赞利单抗联合使用可减少镰状细胞病中的微血管阻塞并保护内皮功能。

这些数据为研究血栓炎症血栓消散的潜在机制和药物发现提供了新的范式。

文献名称：Clinically relevant clot resolution via a thromboinflammation-on-a-chip

纳米限域自修复水凝胶，模量突破50MPa

许多生物组织在机械上很坚固，很坚硬，但仍然可以从损伤中愈合。相比之下，合成水凝胶却无法同时实现高硬度和高自修复能力。虽然通过化学交联等方法可以提升水凝胶的强度或刚性，但这些方法往往会抑制分子链或键的动态性，从而削弱材料的自修复能力。这种“高刚性与自修复不可兼得”的矛盾，严重限制了水凝胶在高性能应用中的潜力。

2025年3月7日，Nature Materials提出了一种“通过共平面纳米限域下的聚合物链缠结实现高硬度且具有自修复能力的水凝胶”的策略。具体来说，他们使用一种完全剥离的合成锂蒙脱石(hectorite)纳米片作为支架，构建了一个构建了层间距约100nm的均匀限域空间且高度有序的纳米限域空间。

这种纳米片具有超薄的二维结构，能够在纳米尺度上为聚合物提供均匀且限域的环境。在此基础上，他们将高浓度的单体溶液注入这一纳米限域空间，并通过聚合反应形成密集的聚合物网络。在纳米限域空间中，聚合物链由于空间限制而形成了密集的缠结结构。这种缠结不仅显著提升了材料的强度，还保留了分子链的动态性。

当限域尺寸接近高度缠结聚丙烯酰胺（PAAm）链的分子尺度时，水凝胶的杨氏模量显著提升至50MPa（较非限域体系提高一个数量级），极限抗拉强度达4.2MPa。该材料在保持高刚度的同时展现出优异的自修复性能，端对端修复后强度恢复率达33%，侧向修复效率接近100%。其界面粘附性能同样突出，对玻璃、金属等基材的粘附强度最高达0.49MPa。

这种纳米限域效应具有普适性，可拓展至有机水凝胶体系，并可通过功能化改性（如MXene掺杂）赋予材料热伪装与电磁屏蔽等多重功能。

该策略突破了传统自修复水凝胶力学性能的瓶颈，实现了与生物软组织（如皮肤）相媲美的力学-功能平衡，为复杂三维结构组装、增材制造及柔性器件设计提供了全新平台，在人工皮肤、软体机器人等领域展现出重要应用前景。

文献名称：Stiff and self-healing hydrogels by polymer entanglements in co-planar nanoconfinement

为满足广大科研客户的需求，先丰纳米3月起上新了多款水凝胶材料，主要有光固化水凝胶（甲基丙烯酰化明胶、甲基丙烯酰化透明质酸、甲基丙烯酰化海藻酸钠）、荧光水凝胶（荧光标记甲基丙烯酰化明胶、荧光标记透明质酸、荧光标记海藻酸钠）和基础水凝胶（硫酸软骨素、葡聚糖、海藻酸钠、甲壳素、水溶性丝素蛋白等），此外提供水凝胶定制服务，欢迎咨询~

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