第一作者：Yanyan Wang，Xinyu Jiang
通讯作者：Wenlong Xu
通讯单位：鲁东大学
DOI: 10.1039/D3MH00326D
背景介绍
水凝胶具有三维聚合物网络结构，已成为生物医学、组织工程和柔性电子器件等各个领域的关键研究领域。这是由于它们优异的生物相容性，以及独特的物理和化学性能和高含水量。然而，水凝胶的机械性能在柔软性、脆性和永久断裂能力方面不足，从而阻碍了它们的进一步设计和应用。因此，如何提高水凝胶的力学性能已成为一个关键的研究领域。近年来，提高水凝胶的力学性能一直是研究人员关注的焦点。已经探索了几种方法，包括引入能量耗散机制，如构建双网络，引入纳米晶体，诱导疏水缔合等。尽管这些设计策略具有潜力，但在改善水凝胶的机械性能方面仍有局限性。研究表明，这些性能与材料的结构密切相关，这对该领域的内在改进提出了重大挑战。受自然启发的研究发现，在生物体组织中发现的有序结构是其特殊机械性能的原因。因此，通过仿生有序结构设计和生产具有类似机械性能的水凝胶是实用和可取的。
目前，仿生有序结构的研究热点包括以贝壳为图案的层状结构、反映肌腱的束状结构、类似含羞草的梯度结构、类似生物膜的阵列结构、模拟蜘蛛丝的纤维链结构等，研究人员通常采用各种组成材料、构建方法和结构来制备用于设计目的的仿生有序结构水凝胶。近年来，研究人员发现了各种构建有序结构的合成方法，包括自组装、外部场控制、定向冷冻铸造、预拉伸、微流体、3D打印和静电纺丝等。此外，科学研究人员还探索了有序结构增强水凝胶韧性和抗疲劳性能的机制。有序的结构增加了水凝胶网络的交联密度，从而产生同步的水凝胶力和高机械强度，这对于在实际使用中防止机械损伤至关重要。通常，更强的材料更脆，而较弱的材料更容易变形。因此，在水凝胶中有效结合强度和韧性仍然是一个重大挑战。水凝胶网络的有序结构增强了外部能量耗散并优化了外力的传导，从而显著提高了水凝胶的韧性。一种构建有序结构的新方法可以显著提高水凝胶在实际应用中的响应性和变形速度，从而拓宽了它们在传感器和致动器中的潜在应用。此外，水凝胶优越的强度和韧性使其成为生物医学领域的有利工具。尽管水凝胶具有优异的强度和韧度，但当受到多个循环的机械载荷时，它们容易发生疲劳断裂，这使得保持其作为生物修复材料的稳定性和耐久性具有挑战性。因此，迫切需要提高水凝胶的抗疲劳性能。为此，人们发现水凝胶中的有序和部分结晶结构比无定形聚合物链更有效地抵抗疲劳裂纹的扩展，从而提高水凝胶的抗疲劳性能。因此，仿生有序结构的发展对于提高水凝胶的强度、韧性，以及水凝胶的抗疲劳能力。
本文亮点
1. 本文系统地介绍了近年来用于提高仿生有序结构水凝胶的强度、韧性和抗疲劳性能的各种结构类型、设计策略和优化机制。
2. 本文综述了仿生有序结构水凝胶在各个领域的潜在应用，包括传感器、生物修复材料、致动器和抗冲击材料。
3. 本文总结了仿生有序结构水凝胶在制备和应用方面的挑战和未来发展前景。
图文解析
图1. 通过分别模仿三种生物（A）龙虾、38（B）莲花、39和（C）毒蜥，研究人员制备了仿生（D）均质和非均质片层结构，（E）长条和蜂窝状和螺旋束状结构，以及（F）结构和成分梯度结构。
图2. 在扫描电子显微镜下，仿生有序结构水凝胶表现出各种类型的有序结构。其中包括片层结构，其由（A）相同取向的均匀片层结构47以及（B）显示不同取向的水凝胶的异质片层结构组成。此外，存在（C）由显示平均直径的纤维束组成的长条、（D）由各种物质的混合物组成的蜂窝和（E）通过连续拉伸产生的螺旋结构，水凝胶的扭曲和卷绕过程。还有（F）孔径梯度和（G）组成结构的横截面图像。
图3. 通过（A）自组装模板、（B）电场诱导锂皂石纳米颗粒的梯度结构形成来构建仿生有序结构水凝胶的方法、（C）磁场诱导磁性纳米颗粒的定向排列、（D）单向冷冻辅助盐析和（E）机械训练驱动纳米纤维沿拉伸方向的排列。
图4. 各种仿生有序结构水凝胶的力学性能分析以及与无序结构水凝胶的比较。
图5. 仿生有序结构水凝胶通过（A）通过金属离子的配位增加交联点和（B）形成均匀网络水凝胶来提高其强度，通过（C）引入长链大分子、（D）构建特殊的双网络层状结构和（E）构建层状有序结构以实现力分散来改善其增韧，并通过（F）生长纳米晶体结构域以固定有序结构和（G）通过有序排列的纳米纤维固定裂纹并防止裂纹生长来提高其抗疲劳性。
图6. 仿生有序结构水凝胶传感器在人体运动检测和信息传递中的应用。传感器对（A）膝盖弯曲、（B）脸颊褶皱、（C）运动前后脉冲的电信号响应、（D）语音识别和（E）莫尔斯电码。
图7. 作为（A）生物缝线的仿生有序结构水凝胶生物修复材料用于在体外缝合大鼠皮肤，与传统缝线相比，（B）伤口敷料用于大鼠伤口修复以快速促进伤口愈合和（C）植入物取代软骨组织以促进组织细胞增殖。
图8. 仿生有序结构水凝胶致动器在（a）模拟鸟类飞行和降落形状（B）货物吊装（C）关闭和打开微流体开关和（D）模仿水母的游泳。
来源：柔性传感及器件