摘要：2024年是水凝胶领域的“高光之年”。从柔性电子到生物传感，从组织修复到智能界面，水凝胶以其独特的性能和多功能性，在顶尖期刊《Nature》和《Science》上占据了重要一席。这些突破性研究不仅为材料设计提供了全新的视角，还进一步拓展了水凝胶在生物医学、柔性

仅供医学专业人士阅读参考

2024：水凝胶领域的“高光之年”

2024年是水凝胶领域的“高光之年”。从柔性电子到生物传感，从组织修复到智能界面，水凝胶以其独特的性能和多功能性，在顶尖期刊《Nature》和《Science》上占据了重要一席。这些突破性研究不仅为材料设计提供了全新的视角，还进一步拓展了水凝胶在生物医学、柔性电子及智能界面等领域的应用潜能。

2024：“会呼吸”的传感器与“智慧”的修复材料相继问世

研究人员通过创新的材料设计，赋予了水凝胶更多“生命力”。例如，“会呼吸”的水凝胶传感器能够精准检测环境中的微小变化，助力下一代智能设备；而“智慧”的组织修复材料则具备响应性和自适应性，能够动态调节功能以加速组织愈合。

2024：全球聚焦，华人学者表现优异

值得一提的是，我国的清华大学、北京大学、华中科技大学均在正刊发表水凝胶相关材料，众多华人作者作为通讯发表正刊，为全球科技进步注入了强劲动力！

本期EFL为大家整理了本年度在《Nature》＆《Science》上发表的10篇水凝胶论文，看水凝胶是如何在医工交叉领域发光发热！EFL将持续关注前沿动态，与您一同见证水凝胶在组织工程的革新之路！

文献1：《Science》N型半导体水凝胶（2024.05.02）

发表团队：北京大学雷霆课题组

主要内容：本研究设计了一种N型水溶性半导体聚合物P(PyV)，并以1,3-苯二磺酸钠（DBS）作为交联剂。当P(PyV)和DBS混合时，它们可以形成不溶于水的大块亲水网络。这些水凝胶表现出良好的电子迁移率和高开/关比，从而能够制造具有低功耗和高增益的互补逻辑电路和信号放大器。本研究证明具有良好生物粘附性和生物相容性界面的水凝胶电子产品可以感知和放大具有增强信噪比的电生理信号。

文章来源：

文献2：《Science》用于管理炎症的活性生物集成电子设备（2024.05.30）

发表团队：芝加哥大学Bozhi Tian、Jiping Yue和罗格斯大学Simiao Niu课题组联合发表

主要内容：本文报道了一种活性生物集成电子（ABLE）平台，选择了水凝胶复合材料作为基质并将表皮葡萄球菌作为活性成分。为有利于表皮葡萄球菌长期生存，水凝胶基质使用了蛋白质和多糖聚合物的双网络结构。通过进一步对水凝胶的加热-冷却循环过程降低了多糖的结晶度并延长了水凝胶基质内细菌的活力。该平台同时涵盖了生物生成、生物力学和生物电学属性的能力。这种活性水凝胶的细胞外组分，通过热释放自然发生的淀粉聚合物链制备，具有粘弹性，能够高效维持细菌的活性。通过电生理记录和皮肤电阻抗、体温和湿度的无线探测，ABLE 可以监测银屑病的微生物驱动干预。

文章来源：

文献3：《Nature》多种器官上的粘附型抗纤维化界面（2024.05.22）

发表团队：美国麻省理工学院Xuanhe Zhao课题组

主要内容：本文展示了一种粘附型植入-组织界面，利用聚丙烯酸迅速吸收湿组织中的水分，一旦水分被清除，聚丙烯酸中称为NHS酯的化学基团就会与组织表面的蛋白形成牢固的粘合。这一过程大约只需要五秒钟。本文展示的界面相比于非粘附型植入-组织界面，可以通过减少炎症细胞浸润到粘附型植入-组织界面，从而在多种动物模型中，包括大鼠、小鼠、人源化小鼠和猪，减缓纤维性包膜的形成。组织学分析显示，在体内12周的实验期间，粘附型植入-组织界面在多种器官上，包括腹壁、结肠、胃、肺和心脏，未形成可观察的纤维性包膜。随后进一步展示了通过具有粘附界面的植入电极在体内大鼠模型中超过12周实现长期双向电信号通讯。这些发现可能提供了一种有前景的长期抗纤维化植入-组织界面策略。

文章来源：

文献4：《Nature》用于无线监测颅内信号的可注射超声波传感器（2024.06.05）

发表团队：华中科技大学臧剑锋、新加坡南洋理工大学陈晓东、华中科技大学同济医学院附属协和医院姜晓兵联合发表

主要内容：本文介绍了一种可注射、生物可吸收和无线超结构水凝胶（metagel）传感器，用于超声监测颅内信号。其中，PVA/聚（N-异丙基丙烯酰胺）（PVA/PNIPAM）双网络水凝胶被设计用于感知温度变化，而PVA/壳聚糖（CS）双网络水凝胶则被设计用于检测pH值的变化。metagel传感器是2×2×2 mm3大小的立方体，包含可生物降解和刺激响应的水凝胶以及具有特定声反射频谱的周期性排列的气柱。通过穿刺针植入颅内后，metagel会响应生理环境变化而变形，导致反射超声波的峰值频率偏移，可以通过外部超声探头无线测量。Metagel传感器可独立检测颅内压、温度、pH值和流速，实现10 cm的检测深度，并在18周内几乎完全降解。在大鼠和猪身上进行的动物实验表明，其多参数传感性能与传统的不可吸收有线临床基准相当。

文章来源：

文献5：《Nature》牺牲毛细泵工程多尺度生物形态（2024.12.11）

发表团队：波士顿大学Christopher S. Chen和Subramanian Sundaram课题组

主要内容：本文开发了基于液态金属镓的工程牺牲毛细泵（ESCAPE），利用其毛细作用在天然水凝胶（如胶原蛋白和纤维蛋白）中实现了多尺度结构的构造。镓材料具备低熔点（接近细胞培养温度）和可调表面氧化层，能够在温和条件下实现自发撤离，从而保持周围软材料的完整性。该方法成功构建了从300 µm动脉小管到10 µm微血管的多分支血管树，并在其内壁上添加微结构以控制细胞方向。同时，ESCAPE可应用于制作复杂3D结构，如血管畸形和交织的血管-淋巴网络，为组织工程提供了新的设计自由度。

文章来源：

文献6：《Science》多尺度分子成像与人类大脑表型整合平台（2024.05.12）

发表团队：美国麻省理工学院Kwanghun Chung课题组

主要内容：本文开发了一个整合平台，包括高精度切片设备（MEGAtome）、水凝胶组织处理技术（mELAST）和计算重建工具（UNSLICE）。MEGAtome可实现超大规模生物组织的精确切片；mELAST转化组织为弹性透明水凝胶，用于多轮多尺度标记与成像；UNSLICE支持基于血管和神经纤维的跨切片单纤维级连接重建。通过此平台对健康人脑和阿尔茨海默病（AD）患者脑组织进行多尺度表型分析，揭示了AD相关细胞分布、纤维连接方向、以及病理蛋白的分布差异，为全脑功能与疾病机理研究提供了新方法。

文章来源：

文献7：《Science》具有增强生物交互功能的软水凝胶半导体（2024.10.25）

发表团队：芝加哥大学Sihong Wang课题组

主要内容：本文通过一种溶剂亲和诱导组装方法，将难溶于水的半导体聚合物集成到双网络水凝胶中，成功制备出机械柔软（杨氏模量低至81 kPa）、高延展性（最大应变150%）和高电荷迁移率（达1.4 cm²/V·s）的水凝胶半导体。所使用的聚合物包括具有亲水侧链的p(g2T-T)半导体聚合物和丙烯酸（AAc）为基体的水凝胶单体。该水凝胶半导体结合高机械柔性、高生物相容性及先进的光电性能，应用于光调制、生物传感和柔性电子器件，与生物组织实现高效交互。

文章来源：

文献8：《Science》用于超声监测深部组织稳态的生物可吸收形状自适应结构（2024.03.07）

发表团队：清华大学Heling Wang，美国西北大学John A. Rogers和华盛顿大学医学院Chet W. Hammil

主要内容：本文设计的BioSUM由pH响应型水凝胶与分布在其中的生物可吸收金属（如锌）小圆盘组成。水凝胶通过溶胀或收缩响应局部pH变化，而金属圆盘由于其声学阻抗差异产生强超声对比信号。该装置既可通过外科植入，也可通过注射完成部署，并在完成监测任务后通过生物降解自动吸收，无需手术移除。在小鼠和猪模型中，BioSUM成功实现了胃、小肠和胰腺泄漏的实时监测，检测深度可达10厘米以上，同时展现出良好的生物相容性、降解性及操作便捷性。这项技术为术后恢复监测和早期干预提供了一种非侵入性且高效的解决方案。

文章来源：

文献9：《Science》微尺度液滴组装可实现生物相容性的多功能模块化离子电子学（2024.11.28）

发表团队：英国牛津大学的Yujia Zhang和Hagan Bayley课题组

主要内容：本研究团队采用丝蛋白水凝胶，通过蛋白质化学修饰制备了分别具有阳离子和阴离子选择性的丝蛋白凝胶液滴，并通过表面活性剂辅助组装技术实现液滴的自组装，构建了自由悬浮的微尺度离子电子模块。这些模块包含离子二极管、npn型和pnp型晶体管，以及可重配置的逻辑门和具有长期可塑性的合成突触。通过光化学交联增强了模块的稳定性和离子传导能力。器件能够检测心肌细胞的电生理信号，展现出良好的生物兼容性，为离子电子学与生物系统的整合铺平了道路。

文章来源：

文献10：《Science》高度缠结聚合物网络的增材制造（2024-08-01）

发表团队：宾夕法尼亚大学Jason A. Burdick课题组

主要内容：在单一网络中引入聚合物链的缠结可以协同提高材料的刚度和韧性，然而通过桶式光聚合增材制造（例如，数字光处理（DLP））实现如此密集的缠结仍然是一个挑战。本文报告了一种简单的策略，结合了光聚合和暗聚合，使得构成聚合物链在打印结构形成时能够密集缠结。这种可推广的方法在室温下实现了高单体转化率，无需在打印后额外的刺激（如光或热），并且能够增材制造出高度缠结的水凝胶和弹性体，其延展能量相比传统DLP提高了四到七倍。作者利用这种方法打印了高分辨率和多材料结构，具备对湿组织的空间编程粘附等特性。

文章来源：

水凝胶的高光时刻，远不仅仅是2024年的一场科技盛宴，更是未来材料科学发展的重要里程碑。随着更多学科交叉研究的深入，从柔性电子到生物医疗，跨学科的突破让这一领域更加充满活力，水凝胶必将在医疗健康、电子科技乃至智慧生活等领域释放更大的潜力。

附：EFL整理的水凝胶正刊及子刊链接（按月）

前期EFL汇总了发表在NS系列上的有关生物医学领域的高质量文献，主要有：

来源：EngineeringForLife一点号