《Adv. Sci.》综述：纤维状水凝胶的最新进展：性能、应用和前景

摘要：纤维水凝胶（FGs）以预制纤维、原纤维和高分子材料制成的 3D 网络结构为特征，已成为众多领域的重要材料。然而，平衡机械性能和功能的挑战阻碍了它们的进一步发展。近日，中山大学张迪、周口师范学院靳林和西安交通大学杨哲发表综述，概述了纤维状水凝胶的最新发展。相

纤维水凝胶（FGs）以预制纤维、原纤维和高分子材料制成的 3D 网络结构为特征，已成为众多领域的重要材料。然而，平衡机械性能和功能的挑战阻碍了它们的进一步发展。近日，中山大学张迪、周口师范学院靳林和西安交通大学杨哲发表综述，概述了纤维状水凝胶的最新发展。相关研究成果以“Recent Development of Fibrous Hydrogels: Properties, Applications and Perspectives”为题目，发表在期刊《Advanced Science》 ( IF 14.3 )上。

本文要点：

1、综述了FGs的主要优点，包括增强的机械性能、高导电性、高抗菌和抗炎性能、刺激反应性和细胞外基质（ECM）样结构。

2、讨论了组装方法的影响，如纤维交联、纤维与水凝胶基质的界面处理和超分子组装，对纤维纤维的各种功能。

3、还讨论了提高上述五个方面性能的机制，例如创建电导率的离子载流子通道、增强抗菌和抗炎特性的药物原位凝胶化，以及纤维之间的纠缠和疏水相互作用，从而产生类似 ECM 的结构 FG。

4、本文还基于优化性能的协同效应，讨论了 FGs 在传感器、敷料和组织支架中的应用。

5、最后，讨论了 FGs 面临的挑战和未来应用，为前沿 FGs 的设计与应用提供了理论基础和新的见解。

不同的组装方法如何影响纤维水凝胶的功能？

1、纤维交联：预制纤维与水凝胶的交联方法可以增强FGs的机械性能和稳定性。这个过程可以创建一个更强健的网络，更好地承受机械应力。

2、界面处理：对纤维与水凝胶基体的界面进行处理可以改善两者之间的相互作用。这可以导致更好的载荷传递和增强的机械性能，以及提高导电性和响应性等功能。

3、超分子组装：利用超分子相互作用组装FGs可以创建动态结构，模拟细胞外基质（ECM）。这种方法允许引入各种生物活性分子，增强水凝胶的生物功能，例如促进细胞粘附和增殖。

4、原位组装纤维：原位组装纤维（如肽和蛋白分子）可以形成具有定制特性的水凝胶。这种方法允许根据应用的具体需求定制水凝胶的机械和生物特性。

5、制造技术：可以采用纺丝、3D打印和微流体纺丝等技术来创建具有特定结构和性能的FGs。这些方法允许精确控制纤维在水凝胶中的排列和分布，这可以显著影响材料的整体性能和功能性。

总的来说，组装方法的选择在决定纤维水凝胶的机械、电气和生物特性方面起着至关重要的作用，使其性能能够针对各种应用进行优化。

纤维水凝胶（FGs）因其优越的性能和多功能性，在多个领域有广泛的应用，主要包括：

1、组织工程：FGs可以作为细胞支架，促进细胞的粘附、增殖和分化，广泛应用于皮肤、骨骼、软骨等组织的再生和修复。

2、药物传递系统：通过在FGs中嵌入药物或生物活性分子，可以实现控制释放，增强药物的生物利用度和治疗效果，特别是在抗菌和抗炎治疗中。

3、传感器：FGs的导电性和响应性使其成为开发生物传感器的理想材料，能够用于检测生物分子、环境污染物等。

4、智能纺织品：FGs可以用于制造具有智能响应特性的纺织品，例如在温度、湿度或其他外部刺激下改变其性质的材料。

5、水处理：FGs在水净化和过滤方面表现出色，能够有效去除水中的污染物和有害物质。

6、伤口敷料：由于其良好的生物相容性和抗菌特性，FGs可用于制作伤口敷料，促进伤口愈合并防止感染。

7、生物电子设备：FGs的导电性和柔韧性使其适合用于生物电子设备，如生物电极和可穿戴设备。

8、细胞培养基：FGs可以作为细胞培养的支撑材料，提供适宜的微环境，促进细胞的生长和功能。

这些应用展示了纤维水凝胶在生物医学、环境科学和材料科学等领域的广泛潜力。

图1纤维状水凝胶的调节特性及应用示意图。

图2 a)提高力学性能的三种策略示意图。b)光纤光栅的制作工艺示意图。c)水凝胶初始状态和拉伸状态的照片。d)制备工艺及水凝胶膜的SEM图像e)。f) PU纤维的埋置结构和粘接机理说明。g) FGs薄膜粘附皮肤的照片。(h) fg的模量匹配范围。

图3 A)宏观和b，c)微观的水凝胶图像。d)制备石墨烯的溶剂交换策略的三个阶段。e)在每个长度尺度上性能增强背后的机制。

图4 a)提高电导率性能的三种策略示意图。b)纳米纤维和c)水凝胶电导率模板示意图。d)水凝胶的微观结构示意图。e)离子运动示意图。f)水凝胶在不同温度下led亮度的照片。g)蚕丝离子型水凝胶纤维的制备工艺。h)水凝胶纤维熔融纺丝工艺。i)受蜘蛛丝启发的离子凝胶结构示意图。j,k)水凝胶纤维的制备工艺。

图5 a)高抗菌和高抗炎两种策略示意图。b) FG生成示意图。c) FG制备路线示意图。d)渗出物聚阳离子水凝胶的合成路线及机理示意图。

图6 a)刺激响应设计的两种策略示意图。FG的b)制备路线示意图，c)药物的ph响应传递和伤口愈合d)。e)制备水凝胶的示意图。f)不同ph值下的FGs示意图。

图7 a)电刺激可逆溶胶层示意图。b)电场作用下FG运动的演示。c)方案显示了贴片的组成和功能。d)肽FG自组装及应用示意图。e)紫外光诱导聚合和NCPN水凝胶结构示意图。f)通过限制溶剂的流动得到水凝胶的宏观和微观照片。g)水凝胶在不同时间和温度下的照片。h)水凝胶的加解密过程。i,j)纤维水凝胶中的组分和氢键团簇。k,l)应力响应纤维水凝胶的变形过程。