水凝胶系列科普一：“明星”材料——水凝胶简介

1. 水凝胶：锁住水分的“神奇海绵”

你是否想过，为什么果冻可以Q弹爽滑，隐形眼镜可以柔软舒适，退热贴又能长时间保持清凉（图1）？这些看似毫无关联的物品，其实都蕴含着同一种神奇的材料——水凝胶。

图1 生活中常见的水凝胶

水凝胶，顾名思义，就是富含水分的凝胶。它像海绵一样，能够吸收并锁住大量水分，同时保持一定的形状和强度（图2）。水凝胶的“锁水”能力非常强大，可以吸收自身重量数倍至数千倍的水分而不溶解！这一特性使得水凝胶在食品科学、生物医学、组织工程、药物传输、废水处理、便携传感等领域展现出广阔的应用前景。

图2 水凝胶

2.水凝胶的萌芽：吸水树脂的诞生

水凝胶的发现始于20世纪60年代。1961年，美国农业部的研究人员首次合成了聚丙烯酸类高吸水性树脂，这种材料能够吸收自身重量数百倍的水分，并形成凝胶状物质，这一发现为水凝胶的发展奠定了基础。

与吸水树脂相似，水凝胶的“骨架”也是由高分子网络构成的。 这些高分子链通过共价键或非共价键相互交联，形成了三维网络结构（图3），就像一张巨大的渔网。而水分则被“困”在这张网中，无法自由流动，从而形成了凝胶状的物质。相比于吸水树脂，水凝胶材料往往具有致密、有序的交联网络结构，吸水能力更强，且吸水后结构也更加稳定。

图3 微观视角下水凝胶内部的三维网状结构

3. 发展阶段：从单一到多样

随着研究的深入，科学家们开发出了多种性质各异的水凝胶（图4）， 根据来源不同，可以分为天然水凝胶和合成水凝胶。

 图4 实验室制备的水凝胶

天然水凝胶:

如明胶（胶原蛋白水解物）、琼脂、丝素蛋白、海藻酸钠、壳聚糖等天然材料聚合形成的水凝胶。天然水凝胶具有良好的生物相容性、生物降解性，优越的吸水性和空隙尺寸可调性，不足的是这类水凝胶的机械强度低，力学性能较差。

合成水凝胶:

如聚丙烯酰胺、聚乙烯醇等人工合成的高分子材料聚合形成的水凝胶，具有优异的力学性能、较高的吸附性和良好的光学性能，结构可调控，具有潜在的生物安全性和免疫原性，存在生物可降解性差、合成工艺复杂等不足。

复合水凝胶:

由两种或两种以上不同性质的材料聚合形成的新型水凝胶，兼具各组分的特性，展现出更加优越的综合性能。比如天然材料壳聚糖和合成高分子材料聚乙烯醇形成的复合水凝胶，兼具有天然水凝胶的生物相容性和合成水凝胶优异的力学性能和结构的可调性。

水凝胶由于其合成策略、修饰手段的不同，显示出多功能的特性，如：伤口修复（图5）、导电性、防冻性（图6）等。

图5 CCMS 自修复水凝胶用于伤口愈合

图6 多功能MXene基导电、抗冻的有机氢凝胶

4.突破创新：智能水凝胶的兴起

20世纪末，智能水凝胶的出现标志着水凝胶研究进入了一个新的阶段。智能水凝胶能够对外界刺激（如温度、pH值、光、电场等）做出响应（图7），并发生可逆的体积变化或溶胶-凝胶（粘稠的液态转变为具有一定弹性和机械强度的固态胶体）转变。这种特性使其在药物缓释、组织工程等领域展现出巨大的应用潜力。

图7 源自水凝胶的热响应智能窗

5.未来展望：无限可能

如今，水凝胶的研究方兴未艾。科学家们仍在不断地探索和发现……

     新型水凝胶材料:

      如自修复水凝胶（图8）、高强度水凝胶（图9）、抗菌水凝胶、导电水凝胶等。

图8 CMC/PEG-BA自修复水凝胶的自愈合

图9 高强度水凝胶

     水凝胶的新应用:

      如柔性电子穿戴器件（图10）、软骨再生（图11）、人工肌肉、超级电容器等。

图10 柔性可穿戴电子设备的设计

图11 负载细胞水凝胶用于软骨损伤修复

      水凝胶，这种看似普通的材料，却蕴含着无限的可能。相信随着科学技术的不断发展，水凝胶将会在更多领域大放异彩，为我们的生活带来更多便利和惊喜！