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(duì)報(bào)告了一種可行且高效的制造和設(shè)計(jì)方法，以實(shí)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(jì)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(jì)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(duì)報(bào)告了一種可行且高效的制造和設(shè)計(jì)方法，以實(shí)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(jì)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(jì)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(shí)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(duì)和香港大學(xué)的張霜教授團(tuán)隊(duì)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(shí)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(duì)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?？偟膩碚f，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(duì)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(bào)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(shí)驗(yàn)驗(yàn)證其水凝膠形成能力。其中，發(fā)現(xiàn)了兩種罕見報(bào)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(xiǎn)，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(duì)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(shí)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(duì)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(shí)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(jì)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(shí)驗(yàn)探索用于高性能水分捕獲的水凝膠的巨大設(shè)計(jì)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(duì)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(yàn)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(shí)驗(yàn)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@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(jì)。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(shí)現(xiàn)的方式實(shí)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(duì)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(shí)，在不影響其可注射性的情況下實(shí)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(shí)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(shí)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(duì)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。