文獻(xiàn)1：利用酶驅(qū)動的機(jī)械反應(yīng)來改變水凝膠的形狀

Nature Communications (IF 14.7) Pub Date: 2024-01-04, DOI: 10.1038/s41467-023-44607-y

4D打印技術(shù)將3D打印和刺激響應(yīng)材料相結(jié)合，能夠高效構(gòu)建復(fù)雜的3D對象。然而，與智能軟材料不同的是，由于陶瓷的變形能力極弱，陶瓷的4D打印是一個巨大的挑戰(zhàn)。南方科技大學(xué)機(jī)械與能源工程系葛锜教授與西安交通大學(xué)原超副教授研究團(tuán)隊報告了一種可行且高效的制造和設(shè)計方法，以實現(xiàn)陶瓷的直接4D打印。光固化陶瓷彈性體漿料和水凝膠前驅(qū)體是為通過多材料數(shù)字光處理3D打印制造水凝膠陶瓷層壓板而開發(fā)的。平面圖案層壓板在水凝膠脫水作用下演變成復(fù)雜的3D結(jié)構(gòu)，然后在燒結(jié)后變成純陶瓷?？紤]到脫水引起的變形和燒結(jié)引起的形狀回縮，開發(fā)了一個理論模型來計算彎曲層壓板和燒結(jié)陶瓷零件的曲率。然后，構(gòu)建了一個設(shè)計流程，用于直接4D打印各種復(fù)雜的陶瓷物體。這種方法為陶瓷4D打印技術(shù)的發(fā)展開辟了一條新途徑。該研究以“Direct 4D printing of ceramics driven by hydrogel dehydration"為題發(fā)表在Nature Communications (IF 14.7)上。

文獻(xiàn)2：水凝膠脫水驅(qū)動的陶瓷直接4D打印

Nature Communications (IF 14.7) Pub Date: 2024-01-26, DOI: 10.1038/s41467-024-45039-y

4D打印技術(shù)將3D打印和刺激響應(yīng)材料相結(jié)合，能夠高效構(gòu)建復(fù)雜的3D對象。然而，與智能軟材料不同的是，由于陶瓷的變形能力極弱，陶瓷的4D打印是一個巨大的挑戰(zhàn)。南方科技大學(xué)機(jī)械與能源工程系葛锜教授與西安交通大學(xué)原超副教授研究團(tuán)隊報告了一種可行且高效的制造和設(shè)計方法，以實現(xiàn)陶瓷的直接4D打印。光固化陶瓷彈性體漿料和水凝膠前驅(qū)體是為通過多材料數(shù)字光處理3D打印制造水凝膠陶瓷層壓板而開發(fā)的。平面圖案層壓板在水凝膠脫水作用下演變成復(fù)雜的3D結(jié)構(gòu)，然后在燒結(jié)后變成純陶瓷。考慮到脫水引起的變形和燒結(jié)引起的形狀回縮，開發(fā)了一個理論模型來計算彎曲層壓板和燒結(jié)陶瓷零件的曲率。然后，構(gòu)建了一個設(shè)計流程，用于直接4D打印各種復(fù)雜的陶瓷物體。這種方法為陶瓷4D打印技術(shù)的發(fā)展開辟了一條新途徑。該研究以“Direct 4D printing of ceramics driven by hydrogel dehydration"為題發(fā)表在Nature Communications (IF 14.7)上。

文獻(xiàn)3：來自集成碳量子點(diǎn)的水凝膠光柵的可切換單向發(fā)射

Nature Communications (IF 14.7) Pub Date: 2024-01-29, DOI: 10.1038/s41467-024-45284-1

盡管光致發(fā)光的定向發(fā)射不相干，但對于發(fā)光場和納米光子學(xué)來說，這是一種有吸引力的技術(shù)。光學(xué)超表面為亞波長尺度的波前工程提供了一條有前途的路線，使單向發(fā)射成為可能。然而，目前的定向發(fā)射策略大多基于靜態(tài)超表面，實現(xiàn)高性能的單向發(fā)射調(diào)諧仍然是一個挑戰(zhàn)。武漢大學(xué)的李仲陽教授團(tuán)隊和香港大學(xué)的張霜教授團(tuán)隊展示了量子點(diǎn)-水凝膠集成光柵，用于主動切換的單向發(fā)射，同時具有小于1.5°的窄發(fā)散角和大于45°的大衍射角。進(jìn)一步證明，由于環(huán)境濕度變化，水凝膠形態(tài)的變化導(dǎo)致發(fā)射強(qiáng)度在衍射級上調(diào)整了7倍以上。提出的可切換發(fā)射策略可以推廣用于輻射控制和光學(xué)成像的有源發(fā)光器件技術(shù)。該研究以“Switchable unidirectional emissions from hydrogel gratings with integrated carbon quantum dots"為題發(fā)表在Nature Communications (IF 14.7)上。

文獻(xiàn)4：PEG敏化對PEG水凝膠介導(dǎo)的組織工程功效的影響

Nature Communications (IF 14.7) Pub Date: 2024-04-18, DOI: 10.1038/s41467-024-46327-3

雖然聚乙二醇(PEG)水凝膠通常被認(rèn)為是生物惰性的空白板，但對PEG免疫原性的擔(dān)憂日益增加，其對組織工程的影響尚不清楚。得克薩斯農(nóng)工大學(xué)的Daniel L. Alge團(tuán)隊通過對小鼠進(jìn)行PEG免疫來刺激抗PEG抗體的產(chǎn)生，并評估負(fù)載骨形態(tài)發(fā)生蛋白2的PEG水凝膠治療后骨缺損的再生情況來研究這些影響。定量分析表明，與初始對照相比，PEG致敏可增加骨形成，而組織學(xué)分析表明，PEG致敏會在缺損部位誘導(dǎo)異常多孔的骨形態(tài)，特別是在男性中。此外，在接受基于PEG的治療的PEG致敏小鼠中，免疫細(xì)胞募集程度高于未接受過治療的小鼠。有趣的是，接受基于PEG的治療的初始對照也產(chǎn)生了抗PEG抗體。骨形成和免疫細(xì)胞募集的性別差異也很明顯。總的來說，這些發(fā)現(xiàn)表明抗PEG免疫反應(yīng)可以影響組織工程的功效，并強(qiáng)調(diào)需要進(jìn)一步研究。該研究以“Impact of PEG sensitization on the efficacy of PEG hydrogel-mediated tissue engineering"為題發(fā)表在Nature Communications (IF 14.7)上。

文獻(xiàn)5：開發(fā)基于描述符的準(zhǔn)確核苷水凝膠預(yù)測的機(jī)器學(xué)習(xí)模型

Nature Communications (IF 14.7) Pub Date: 2024-03-23, DOI: 10.1038/s41467-024-46866-9

核苷類超分子水凝膠因其性質(zhì)和優(yōu)異的生物相容性而在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域受到廣泛關(guān)注。然而，該領(lǐng)域的一個主要挑戰(zhàn)是沒有模型可以預(yù)測核苷衍生物是否會形成水凝膠。四川大學(xué)華西口腔醫(yī)院的Hang Zhao、Hao Xu、Liang Xie團(tuán)隊成功開發(fā)了一種機(jī)器學(xué)習(xí)模型來預(yù)測核苷衍生物的水凝膠形成能力?；?/span> 71 個已報道核苷衍生物的數(shù)據(jù)集建立了準(zhǔn)確度為 71%（95% 置信區(qū)間，0.69?0.73）的最佳模型。通過最佳模型外用篩選出24個分子，并通過實驗驗證其水凝膠形成能力。其中，發(fā)現(xiàn)了兩種罕見報道的不依賴于陽離子的核苷水凝膠?；谄渥越M裝機(jī)制，不依賴于陽離子的水凝膠被發(fā)現(xiàn)在Ag +和半胱氨酸的快速視覺檢測中具有潛在的應(yīng)用。在這里，我們表明機(jī)器學(xué)習(xí)模型可以提供一種工具來預(yù)測具有水凝膠形成能力的核苷衍生物。該研究以“Developing a machine learning model for accurate nucleoside hydrogels prediction based on descriptors"為題發(fā)表在Nature Communications (IF 14.7)上。

文獻(xiàn)6：X射線激活聚合拓展了深層組織水凝膠形成的前沿

Nature Communications (IF 14.7) Pub Date: 2024-04-15, DOI: 10.1038/s41467-024-47559-z

光交聯(lián)聚合是化學(xué)、生物學(xué)和醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的基本支柱。然而，流行的策略嚴(yán)重依賴紫外線/可見光(UV/Vis)來引發(fā)原位交聯(lián)。與紫外線輻射相關(guān)的固有危險，即潛在的DNA損傷，加上紫外線/可見光所表現(xiàn)出的組織穿透深度有限，嚴(yán)重限制了生物體內(nèi)光交聯(lián)的范圍。盡管近紅外光已被探索作為外部激發(fā)源，能夠部分緩解這些限制，但其穿透深度仍然不足，特別是在骨組織內(nèi)。河北大學(xué)楊艷民/張海磊團(tuán)隊引入了一種利用X射線激活來形成深層組織水凝膠的方法，超越了之前的所有界限。利用低劑量X射線激活的持久發(fā)光磷光體，按需觸發(fā)原位光交聯(lián)反應(yīng)，并能夠在雄性大鼠中形成水凝膠。該方法的突破在于它能夠深入穿透厚牛骨，顯示出的骨穿透潛力。通過將水凝膠形成的范圍擴(kuò)大到如此巨大的深度，該研究代表了該領(lǐng)域的進(jìn)步。X射線激活聚合的這種應(yīng)用可以實現(xiàn)精確、安全的深層組織光交聯(lián)水凝膠形成，對多個學(xué)科具有深遠(yuǎn)的影響。該研究以“X-ray-activated polymerization expanding the frontiers of deep-tissue hydrogel formation"為題發(fā)表在Nature Communications (IF 14.7)上。

文獻(xiàn)7：由水凝膠注入晶格制成的耐沖擊超級電容器

Nature Communications (IF 14.7) Pub Date: 2024-08-01, DOI: 10.1038/s41467-024-50707-0

由于惡劣條件下的應(yīng)用要求不斷提高，儲能裝置的安全性變得越來越重要。在不影響功能的情況下增強(qiáng)魯棒性的有效方法是必要的。新加坡國立大學(xué)丁軍團(tuán)隊展示了一種耐沖擊、即用型超級電容器，由可自修復(fù)的水凝膠電解質(zhì)注入晶格電極構(gòu)成。三維打印碳涂層碳氧化硅集流體提供機(jī)械保護(hù)，其壓縮應(yīng)力、楊氏模量和能量吸收分別高達(dá)70.61 MPa、2.75 GPa和92.15 kJ/m³。商業(yè)上可行的聚苯胺和可自修復(fù)的聚乙烯醇水凝膠用作活性涂層和電解質(zhì)。 I型封裝結(jié)構(gòu)的超級電容器電極在3mA/cm³電流下的靜態(tài)比電容為585.51 mF/cm³，在0.5 mW/cm³功率密度下的能量密度為97.63 μWh/cm³。它在條件下保持運(yùn)行完整性，包括0.3 J/cm³能量的沖擊后0至18.83 MPa的動態(tài)負(fù)載以及電解質(zhì)損壞后的自愈，展示了環(huán)境下應(yīng)用的前景。該研究以“Impact-resistant supercapacitor by hydrogel-infused lattice"為題發(fā)表在Nature Communications (IF 14.7)上。

文獻(xiàn)8：基于物理學(xué)的水凝膠水分捕獲特性預(yù)測

Nature Communications (IF 14.7) Pub Date: 2024-10-17, DOI: 10.1038/s41467-024-53291-5

水分捕獲材料可以實現(xiàn)可能改變游戲規(guī)則的能源水技術(shù)，例如大氣水生產(chǎn)、儲熱和被動冷卻。水凝膠復(fù)合材料因其低成本、對濕度的高親和力和設(shè)計多功能性而成為出色的水分捕獲材料。盡管付出了大量努力來實驗探索用于高性能水分捕獲的水凝膠的巨大設(shè)計空間，但對這些材料水分捕獲特性背后的理解仍然存在關(guān)鍵的知識差距。這種缺失的理解阻礙了新型水凝膠的快速開發(fā)、材料性能增強(qiáng)和器件級優(yōu)化。麻省理工學(xué)院Carlos D. Díaz-Marín團(tuán)隊將水凝膠-鹽復(fù)合材料的合成和表征相結(jié)合，以開發(fā)和驗證彌合這一知識差距的理論描述。從水凝膠-鹽復(fù)合材料的熱力學(xué)描述開始，開發(fā)了準(zhǔn)確捕獲實驗測量的水分吸收和吸附焓的模型。還開發(fā)了質(zhì)量傳遞模型，可以精確地將水分動態(tài)吸收和解吸到水凝膠-鹽復(fù)合材料中?？偠灾?，這些結(jié)果證明了主導(dǎo)水分捕獲性能的主要變量，表明在所有考慮的情況下，聚合物在材料性能中的作用可以忽略不計。該見解指導(dǎo)了下一代濕度捕獲水凝膠的合成，并以以前在關(guān)鍵水能源應(yīng)用中無法實現(xiàn)的方式實現(xiàn)其系統(tǒng)級優(yōu)化。該研究以“Physics-based prediction of moisturecapture properties of hydrogels"為題發(fā)表在Nature Communications (IF 14.7)上。

文獻(xiàn)9：用于慢性神經(jīng)調(diào)節(jié)的高度穩(wěn)定、可注射、導(dǎo)電水凝膠

Nature Communications (IF 14.7) Pub Date: 2024-09-12, DOI: 10.1038/s41467-024-52418-y

電藥通過選擇性調(diào)節(jié)靶器官附近的周圍神經(jīng)，有望用于治療難治性疾病。然而，這些神經(jīng)的小尺寸和脆弱的性質(zhì)給簡化固定和穩(wěn)定神經(jīng)電極的電耦合接口帶來了挑戰(zhàn)。華中科技大學(xué)羅志強(qiáng)，美國賓夕法尼亞大學(xué)Jiang Yuanwen，華中科技大學(xué)張麗團(tuán)隊使用可注射的生物粘附水凝膠生物電子學(xué)為精細(xì)周圍神經(jīng)構(gòu)建了一個強(qiáng)大的神經(jīng)接口。通過在網(wǎng)絡(luò)形成過程中加入多功能分子調(diào)節(jié)劑，通過微調(diào)導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的反應(yīng)動力學(xué)和多尺度相互作用來優(yōu)化水凝膠的可注射性和導(dǎo)電性。同時，在不影響其可注射性的情況下實現(xiàn)了水凝膠的機(jī)械和電穩(wěn)定性。最小的組織損傷以及可注射神經(jīng)接口的低且穩(wěn)定的阻抗使得能夠?qū)π坌源笫竽Ｐ椭械男募」Ｋ乐委熯M(jìn)行慢性迷走神經(jīng)調(diào)節(jié)。高度穩(wěn)定、可注射、導(dǎo)電的水凝膠生物電子學(xué)可隨時用于瞄準(zhǔn)具有挑戰(zhàn)性的解剖位置，為未來的精準(zhǔn)生物電子醫(yī)學(xué)鋪平道路。該研究以“Highly-stable, injectable, conductive hydrogel for chronic neuromodulation"為題發(fā)表在Nature Communications (IF 14.7)上。

文獻(xiàn)10：室溫磷光木材水凝膠

Nature Communications (IF 14.7) Pub Date: 2024-12-04, DOI: 10.1038/s41467-024-55025-z

室溫磷光（RTP）水凝膠表現(xiàn)出巨大的潛力，但表現(xiàn)出較差的機(jī)械性能（拉伸強(qiáng)度<1 MPa）和不可調(diào)諧的RTP性能，阻礙了它們的實際應(yīng)用。東北林業(yè)大學(xué)陳志俊教授、李淑君教授團(tuán)隊通過在脫木素木材存在下丙烯酰胺的原位聚合來開發(fā)木材水凝膠（W-水凝膠）。由于脫木素木材和聚丙烯酰胺成分之間的分子相互作用，W-水凝膠表現(xiàn)出38.4 MPa 的拉伸強(qiáng)度和綠色RTP發(fā)射，壽命為32.5 ms。此外，用乙醇處理W-水凝膠后，拉伸強(qiáng)度和RTP壽命提高到153.8 MPa和69.7 ms。值得注意的是，W-水凝膠的機(jī)械性能和RTP性能是通過交替的“乙醇和水"處理來切換的。此外，W-水凝膠用作能量供體，以便通過能量轉(zhuǎn)移過程使用RhB產(chǎn)生紅色余輝發(fā)射。利用這些特性，W-水凝膠被加工成多種基于水凝膠的發(fā)光材料。該研究以“Room temperature phosphorescent wood hydrogel"為題發(fā)表在Nature Communications (IF 14.7)上。