1. AFM:指導T細胞趨化性的電磁螺旋水凝膠馬達微型/納米馬達以其在生物醫學，傳感和納米工程領域的革命性潛力吸引了蓬勃發展的研究熱情。在提出的馬達中，磁性微型/納米馬達以其高可控性和現場生物相容性而引起了人們的極大興趣。然而，磁驅動特別是螺旋電機的制造需要昂貴且復雜的儀器，3D打印或掠射角沉積等。于此，中山大學彭飛、南方醫科大學涂盈鋒等人通過多功能裝置設計了一種柔軟且生物相容的螺旋聚乙烯醇（PVA）水凝膠馬達。1）所獲得的螺旋水凝膠馬達為趨化因子CXCL12和超順磁性氧化鐵（Fe3O4）納米顆粒提供了高容量，從而可以進行磁性處理。在低強度旋轉磁場的作用下，該系統能夠執行3D精確導航，這對于將機器人系統轉向模型患病區域是必不可少的。2）來自水凝膠馬達的趨化因子信號，充當合成的前導細胞，然后指導免疫T細胞趨化性遷移。在先前報道的細胞操縱馬達系統中，展示了拖曳或推動單個/兩個細胞的效率有限。該運動平臺代表了一種指導內源細胞趨化性和組織免疫應答的新方法。Wang, Z., et al., Magnetic Helical Hydrogel Motor for Directing T Cell Chemotaxis. Adv. Funct. Mater. 2021, 2101648.https://doi.org/10.1002/adfm.2021016482. AFM:多功能注射水凝膠敷料有效加速傷口愈合細菌感染可導致慢性不愈合傷口，這可能對公共健康構成巨大威脅。迫切需要開發一種具有多種功能的可注射傷口敷料水凝膠，包括自我修復，重塑，抗菌，清除自由基的能力以及出色的光熱特性，以促進臨床實踐中受損組織的再生。于此，西北農林科技大學王麗等人首次將多巴胺修飾明膠（Gel-DA）用作生物模板，以增強明膠的生物礦化能力，從而合成多巴胺修飾的明膠明膠@銀納米顆粒（Gel-DA @ Ag NPs）。1）制備的Gel-DA @ Ag NPs具有抗氧化活性和近紅外（NIR）激光輻照協同抗菌性能，且通過形成硼酸鹽/雙二醇鍵固定在瓜爾豆膠基水凝膠中，具有重塑、注射和自愈性能。此外，多功能水凝膠可以完全覆蓋不規則的傷口形狀，防止繼發性損傷。2）更重要的是，這些水凝膠平臺在近紅外下可以顯著加速傷口愈合，出現更多的皮膚附屬器，如毛囊和血管。因此，這些水凝膠有望成為生物醫學領域具有競爭力的多功能敷料，包括細菌性傷口感染和其他與活性氧過表達相關的組織修復。Zhang, H., et al., Multifunctional Injectable Hydrogel Dressings for Effectively Accelerating Wound Healing: Enhancing Biomineralization Strategy. Adv. Funct. Mater. 2021, 2100093.https://doi.org/10.1002/adfm.202100093一些兩親性嵌段共聚物的水溶液在加熱時會發生溶膠-凝膠轉變，因此被稱為熱凝膠。在熱凝膠家族中，某些系統還會在溶膠-凝膠轉變之后的更高溫度下呈現出凝膠-溶膠（懸浮）轉變，這在生物醫學應用中通常被忽略。于此，復旦大學丁建東等人首次報道了同時使用溶膠-凝膠轉變和凝膠-溶膠（懸浮）轉變的案例，這是在開發用于皮膚病光動力療法（PDT）的含有5-氨基乙酰丙酸的透皮水凝膠制劑的過程中發現的。1)研究人員合成了兩種不同嵌段長度的PLGA-PEG-PLGA三嵌段共聚物。通過改變共混比，可以很容易地調節配方的轉變溫度，以滿足溶膠-凝膠轉變溫度（Tgel）<室溫（t< span="">air）<凝膠-溶膠（懸浮液）溫度（t< span="">sol（懸浮液））<體溫（t< span="">body）的條件。2)因此，涂抹在皮膚上后，外部為水凝膠，內部為溶膠（懸浮液）的自發不對稱配方可以避免自由流動，實現快速釋放，以確保有效的PDT。這項研究通過“嵌段共混”生物材料的特性和藥物釋放曲線，以及細胞實驗、體外滲透和體內透皮給藥研究證明了這一概念。Cao, D., et al., An Intelligent Transdermal Formulation of ALA‐Loaded Copolymer Thermogel with Spontaneous Asymmetry by Using Temperature‐Induced Sol–Gel Transition and Gel–Sol (Suspension) Transition on Different Sides. Adv. Funct. Mater. 2021, 2100349.https://doi.org/10.1002/adfm.2021003494. AFM:明膠-透明質酸點擊交聯的冷凍凝膠闡明了人類巨噬細胞的入侵行為傳統上，水凝膠轉移模型著重于癌細胞的侵襲。但是，腫瘤微環境中與轉移相關的其他細胞也具有遷移的能力。巨噬細胞表型在腫瘤微環境中起關鍵作用，但了解它們在可調3D體外模型中的遷移仍然有限。為了進一步了解巨噬細胞的侵襲行為，多倫多大學Molly S. Shoichet等人合成了由點擊交聯的明膠-氧胺和透明質酸-醛（GELox-HAa）組成的穩定、透明的肟交聯的冷凍凝膠。1）摻入了纖連蛋白衍生的、經過氧胺修飾的PHSRN-RGDSP肽，可進一步模擬腫瘤細胞外基質，而不會影響冷凍凝膠的力學性能。研究發現，原代人巨噬細胞在具有更大孔隙率和孔徑的冷凍凝膠中遷移到更大的深度。2）為了更好地了解遷移機制，可以用基質金屬蛋白酶（MMPs）抑制劑或rho相關蛋白激酶（ROCK）抑制劑處理細胞，并且發現了主要由MMP介導的侵襲機制。巨噬細胞極化研究表明，抗炎、白細胞介素4/13（IL4/IL13）處理的巨噬細胞通過冷凍凝膠的遷移程度大于促炎、干擾素γ/脂多糖（IFNγ/LPS）處理的細胞。3）有趣的是，極化的巨噬細胞通過阿米巴式運動和間充質遷移的結合而穿過冷凍凝膠。這些巨噬細胞在這種冷凍凝膠平臺中的入侵發現為他們在仿生腫瘤微環境中進一步研究奠定了基礎。Bahlmann, L. C., et al., Gelatin‐Hyaluronan Click‐Crosslinked Cryogels Elucidate Human Macrophage Invasion Behavior. Adv. Funct. Mater. 2021, 2008400.https://doi.org/10.1002/adfm.2020084005. AFM：用于腫瘤高效治療的多響應性生物降解陽離子納米凝膠制備簡單、模塊化設計和多響應性對于開發滿足異構應用的通用納米平臺是非常關鍵的。在此，德國德國萊布尼茲材料研究所Andrij Pich、東華大學史向陽、同濟大學Yu Luo等人對陽離子納米凝膠(NGs)進行模塊化設計，使其具有可調的響應性、多功能性和生物降解性。1）采用一步法制備了具有核殼結構的陽離子聚氯乙烯（PVCL）基NGs。形成的PVCL-NH2 NGs具有均勻的尺寸、熱/pH雙響應行為和氧化還原引發的降解。此外，NGs可被用于修飾或負載各種功能劑，以模塊化的方式構建多用途納米平臺。2）值得注意的是，制備了一種新型的雜化結構，將硫化銅（CuS）納米顆粒負載在NGs殼中，其光熱轉換效率（31.1%）高于其他報道的CuS隨機負載的NGs。3）通過個性化定制，這些功能化的NGs顯示出熒光特性、r1弛豫性、強近紅外吸收、良好的生物相容性和靶向特異性。雜化NGs優越的光熱效應(CuS@NGs-LA）在NIR II而非NIR I下呈現。4）重要的是，雜化NGs封裝阿霉素(CuS@NGs-LA/DOX)顯示出內源性pH/氧化還原和外源性NIR多級觸發藥物釋放用于高效光熱化療，從而實現完全消除晚期腫瘤并有效抑制復發。綜上所述，通過工程化模塊化策略開發的，基于具有可調響應性、通用性和生物降解的智能陽離子NGs的普遍納米平臺可用于精密醫學應用。Xin Li, et al. Multi‐Responsive Biodegradable Cationic Nanogels for Highly Efficient Treatment of Tumors. Adv. Funct. Mater., 2021.DOI: 10.1002/adfm.202100227https://doi.org/10.1002/adfm.202100227天然細胞外基質（ECM）通常表現出動態力學性能，并且在粘彈性行為（例如應力松弛和蠕變）方面表現出對變形或機械載荷的時間依賴性響應。ECM的粘彈性在發育、體內平衡和組織再生中起著至關重要的作用，最近還認識到它對疾病進展的影響。具有可調節粘彈性的水凝膠有望重現天然ECM中這種隨時間變化的機理，最近已被用于調節細胞行為和指導細胞命運。1）西安交通大學徐峰教授等人在該綜述中首先強調了組織粘彈性的重要性，總結了水凝膠粘彈性的分子機理，并綜述了在宏觀和微觀尺度上使用的表征技術。2）然后，描述了通過改變交聯策略開發具有可調粘彈性的新型水凝膠的最新進展，粘彈性細胞微環境的工程化及其對細胞行為和命運的實質性影響，隨后討論了潛在的力學生物學機制。3）最后，對粘彈性水凝膠的設計和調控以及細胞對粘彈性細胞微環境反應的力學生物學機制進行了展望。Ma, Y., et al., Viscoelastic Cell Microenvironment: Hydrogel‐Based Strategy for Recapitulating Dynamic ECM Mechanics. Adv. Funct. Mater. 2021, 2100848.https://doi.org/10.1002/adfm.2021008487. AFM: 自適應離子凝膠涂料，用于可拉伸和可修復的電子產品在絕緣襯底上開發一種通用的可拉伸離子導體涂層，無論其表面化學性質和襯底形狀如何，對于兼容和集成的大面積電子器件來說都是一個巨大的挑戰。現有的方法依賴于聚合前體的同時沉積或分散的配方和涂裝工藝，這兩種方法在粘合性、脫水性、可加工性和表面預處理方面都受到一些限制。于此，東華大學武培怡、孫勝童等人報道了一種在環境條件下由天然小分子-α-硫辛酸（TA）的濃度誘導自主開環聚合制備的離子凝膠涂料。1）離子液體的存在阻止了polyTA通過形成COOH···O=S氫鍵進一步解聚，從而形成具有廣泛可調機械和導電性能、自修復性以及組織樣應變適應性的超拉伸離子凝膠。2）此外，由于其普遍的粘合性和可調節的流變性，離子凝膠涂料可以直接涂覆在具有任意形狀的各種基底上（包括多孔材料、3D打印框架和彈性線），以使其具有離子導電性。進一步論證了離子凝膠涂層作為皮膚狀高靈敏度和耐久性大應變傳感器的應用，表明離子凝膠涂料在新興的軟性和可伸縮性電子產品中具有巨大的潛力。Wang, Y., et al., Adaptive Ionogel Paint from Room‐Temperature Autonomous Polymerization of α‐Thioctic Acid for Stretchable and Healable Electronics. Adv. Funct. Mater. 2021, 2101494.https://doi.org/10.1002/adfm.2021014948. AFM: 導電水凝膠基電極和電解質用于可拉伸和自修復超級電容器可拉伸的自修復超級電容器（SC）可以在極端變形下工作，并在損壞后恢復其初始性能，從而大大提高了耐久性和可靠性，從而擴大了其在眾多應用中的機會，包括智能可穿戴電子設備、生物啟發性設備、人機交互等。然而，要在儲能技術中實現機械拉伸性和自愈性是一項挑戰，其中關鍵問題在于開發理想的電極和電解質材料，該材料除了具有導電性外，還具有出色的機械拉伸性和自愈能力。導電水凝膠（CHs）具有獨特的分級多孔結構，高電/離子電導率，通過分子設計和結構調節可廣泛調節的物理和化學性質，為可拉伸的自愈性SC帶來了廣闊的前景。因此，南京郵電大學賴文勇等人綜述了導電水凝膠基電極和電解質用于可拉伸和自修復超級電容器的相關進展1）本綜述的創新之處在于側重于SC的可拉伸和自修復的基于CH的電極和電解質。2）首先，介紹了CH的常見合成方法。然后系統地闡述了CHs涉及的伸展和自我修復策略；其次是對CHs傳導機理的解釋；然后專注于可伸縮自修復SC的基于CH的電極和電解質；隨后，討論了可伸縮和自我修復的SC在可穿戴電子產品中的應用；最后，得出了結論以及對SC的CH領域所面臨的挑戰和未來研究方向的看法。Cheng, T., et al., Conductive Hydrogel‐Based Electrodes and Electrolytes for Stretchable and Self‐Healable Supercapacitors. Adv. Funct. Mater. 2021, 2101303.https://doi.org/10.1002/adfm.2021013039. AFM: 耐環境導電納米復合有機水凝膠作為柔性應變傳感器和可持續電子電源導電水凝膠（CHs）憑借其出色的理化特性（例如大的可拉伸性和高電導率）在柔性應變傳感器和可拉伸的摩擦電納米發電機（TENGs）的設計中得到了廣泛的應用。然而，以水溶劑為分散介質，CHs的偶然凍結和干燥行為大大限制了它們的應用范圍。于此，北京化工大學萬鵬博、鄭州大學代坤等人通過簡單的溶劑替代策略證明了一種耐環境且可超拉伸的有機水凝膠，其中用甘油替換所合成的聚丙烯酰胺/蒙脫石/碳納米管水凝膠中的部分水，從而具有出色的溫度耐受性（-60至60°C）和良好的穩定性（在正常環境下為30天），而不會犧牲拉伸性和導電性。1）有機水凝膠具有超寬的應變感應范圍（0–4196％），具有8.5的高靈敏度，可以有效地檢測和區分在各種條件下溫和或劇烈的人類活動。2)此外，有機水凝膠在單電極TENG中組裝，即使在500％的可拉伸性下仍顯示出出色的能量收集能力，并且在惡劣的寒冷條件下對可穿戴電子設備直接供電具有魯棒性。這項工作為多功能有機水凝膠開辟了一條簡單的途徑，并有望在極端環境中實際應用柔性且自供電的可穿戴設備。Sun, H. L., et al., Shen, C. Y., Environment Tolerant Conductive Nanocomposite Organohydrogels as Flexible Strain Sensors and Power Sources for Sustainable Electronics. Adv. Funct. Mater. 2021, 2101696.https://doi.org/10.1002/adfm.20210169610. AFM: 離子導電有機水凝膠具有動態模式行為和多環境穩定性多環境耐受性水凝膠已受到廣泛關注，并有望作為智能材料應用于多種環境（例如水，油，冷凍和干燥）。但是，尚未充分利用有機水凝膠在不同溶劑中的宏觀變化和抗溶脹機理及其相應的應用。于此，上海交通大學李華、陳玉潔等人制備了在多種環境中具有優異的機械性能和獨特的行為（信息識別和加密）和機械感測的離子有機水凝膠。1）所制備的有機水凝膠由于不良溶劑中的微相分離和適當溶劑中的溶脹，而在不同溶劑中顯示出明顯的透明變化，并且可以被視為用于記錄和加密信息的動態信息存儲裝置。此外，由于水和二甲基亞砜（DMSO）之間的相互作用，有機水凝膠顯示出顯著的耐冷凍性（-90至20°C）和保濕保持性能（15天后為76％）。2）另外，離子導電水凝膠在冷凍、干燥條件以及油或水環境中表現出出色的人體運動檢測和生理信號響應，并顯示出穩定的機械感測性能。可以預見，有機水凝膠的設計策略和機理研究可能有望在惡劣環境下用作生物傳感器和信息識別平臺。Liu, J., et al., Ionic Conductive Organohydrogels with Dynamic Pattern Behavior and Multi‐Environmental Stability. Adv. Funct. Mater. 2021, 2101464.https://doi.org/10.1002/adfm.20210146411. AFM:基于可切換離子極化的機械感受器啟發的動態機械刺激感知多樣化的觸摸體驗為實現更大的人機交互提供了一條途徑，這對于觸覺技術的發展至關重要。基于摩擦電的觸摸傳感器的最新進展在成本、設計簡單和使用更廣泛的材料方面提供了巨大的優勢。由于性能僅依賴于材料之間的接觸帶電水平，基于摩擦電的接觸傳感器不能有效地用于測量給定機械力下材料的變形程度。于此，韓國成均館大學Sang‐Woo Kim等人報道了一種基于離子摻雜明膠水凝膠（IGH）的觸摸傳感器，它不僅能識別與物體的接觸，還能識別物體在一定力下的變形。1）當明膠水凝膠接觸和變形時，可切換的離子極化有助于實現不同的傳感機制。結果表明，離子極化依賴于水凝膠的導電性。2）使用電壓掃描的定量研究表明，較高的離子遷移率和較短的德拜長度有助于提高機械刺激感知傳感器的性能。已成功地證明了這種傳感器提供動態變形響應信號，可用于控制微型汽車的運動。這項研究拓寬了離子水凝膠傳感器在人機通信系統中的潛在應用。Yoon, H.‐J., et al., Mechanoreceptor‐Inspired Dynamic Mechanical Stimuli Perception based on Switchable Ionic Polarization. Adv. Funct. Mater. 2021, 2100649.https://doi.org/10.1002/adfm.20210064912. AFM: 一種新型超拉伸、可變模量、形狀記憶多功能水凝膠
傳感器和軟機器人技術的迅速發展，極大地增加了對各種高性能水凝膠的需求。然而，通過簡易方法制備多功能水凝膠仍然是一個挑戰。通過丙烯酰胺（AM）和丙烯酰Plutronic 127（PF127-DA）共聚，四川大學楚合濤、李建樹等人制備了一種由動態膠束海島結構衍生的新型超可拉伸，可變模量，堅韌，低滯后，透明和形狀記憶的水凝膠。1）其中，該水凝膠具有超拉伸（435–2716%，10–40 wt%）、可變模量（0.36–112.79 MPa、30 wt%）、堅韌（1.13–7.17 MJ m?3、10–40 wt%）、低滯后（約10%、30 wt%）、透明（27.98–83.78%、10–40 wt%）和形狀記憶（固定率可達97%，恢復率可達100%，10 wt%）。2）使用溶劑誘導的PF127-DA分子鏈的聚環氧乙烷鏈段結晶和基質體積相變以實現可變模量和形狀記憶的新策略是可以循環執行的純物理過程。值得注意的是，該設計反映了PF127-DA膠束在優化機械性能和智能方面的重要作用。3）此外，PAM / PF127水凝膠對可變形性、彈性、溶劑誘導的形狀記憶和可變模量特性表現出很高的敏感性，可用于應力傳感器、阻尼墊和機械軸承。這些新穎類型的水凝膠可適用于多功能和適應性平臺。Li, Y. Y., et al., Ultra‐Stretchable, Variable Modulus, Shape Memory Multi‐Purpose Low Hysteresis Hydrogel Derived from Solvent‐Induced Dynamic Micelle Sea‐Island Structure. Adv. Funct. Mater. 2021, 2011259.https://doi.org/10.1002/adfm.20201125913. AFM: 基于多刺激響應蛋白的水凝膠的4D打印，可進行自主形狀轉換可以響應于施加的外部刺激而改變形狀的刺激響應水凝膠對于軟機器人，生物醫學設備，藥物輸送和致動器具有吸引力。但是，現有的3D打印形狀變形材料不可生物降解，這限制了它們在生物醫學應用中的使用。于此，華盛頓大學Alshakim Nelson等人開發了一種3D打印的基于蛋白質的水凝膠，并將其應用于在溫度、pH或酶的作用下可編程的結構變化。1）該策略成功的關鍵是在存在N-異丙基丙烯酰胺或甲基丙烯酸2-二甲基氨基乙基酯的情況下，使用甲基丙烯酸化的牛血清白蛋白（MA-BSA）作為Pickering乳液凝膠的可生物降解的基礎。這些剪切稀化凝膠非常適合多層刺激響應水凝膠的直接墨水寫入（DIW）3D打印。2）聚（N-異丙基丙烯酰胺）和聚（甲基丙烯酸二甲氨基乙基酯）可以在打印物體中引入溫度和pH響應特性，該策略的獨特之處在于基于牛血清白蛋白網絡降解的酶促形狀轉換。為了突出這種技術，制造了基于蛋白質的水凝膠，該蛋白質可根據環境溫度和pH值可逆地改變形狀，并通過酶促降解不可逆地改變，這證明了可引入4D打印系統的復雜性。Narupai, B., et al., 4D Printing of Multi‐Stimuli Responsive Protein‐Based Hydrogels for Autonomous Shape Transformations. Adv. Funct. Mater. 2021, 2011012.https://doi.org/10.1002/adfm.202011012
