水凝膠纖維在生物體內(nèi)廣泛存在，如肌肉、神經(jīng)和結(jié)締組織等，這些組織具有運(yùn)輸物質(zhì)和傳遞能量的功能，對(duì)維持生命活動(dòng)至關(guān)重要。因此，開(kāi)發(fā)具有類似生物功能的水凝膠纖維對(duì)于生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用具有重要意義。同時(shí)，水凝膠纖維的高含水量和多孔結(jié)構(gòu)使其在能源存儲(chǔ)（如超級(jí)電容器、電池）和環(huán)境治理（如水處理、污染物吸附）方面也具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。盡管已有大量研究致力于水凝膠纖維的開(kāi)發(fā)，但如何設(shè)計(jì)和合成具有特定結(jié)構(gòu)和功能的水凝膠纖維仍然是一個(gè)挑戰(zhàn)。這包括選擇合適的原材料、控制纖維的微觀結(jié)構(gòu)（如交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)、孔隙結(jié)構(gòu)）以及實(shí)現(xiàn)宏觀結(jié)構(gòu)的多樣化（如空心結(jié)構(gòu)、核殼結(jié)構(gòu)等）。此外，水凝膠纖維的性能（如機(jī)械強(qiáng)度、電導(dǎo)率、光學(xué)性能等）需要進(jìn)一步優(yōu)化，以滿足不同應(yīng)用場(chǎng)景的需求。例如，提高水凝膠纖維的機(jī)械強(qiáng)度和韌性，使其能夠更好地模擬生物組織的力學(xué)性能。目前大多數(shù)水凝膠纖維的制備方法難以實(shí)現(xiàn)大規(guī)模連續(xù)生產(chǎn)，這限制了其在實(shí)際應(yīng)用中的推廣。因此，開(kāi)發(fā)高效、連續(xù)的制備技術(shù)是實(shí)現(xiàn)水凝膠纖維工業(yè)化應(yīng)用的關(guān)鍵。

東華大學(xué)朱美芳院士、侯愷團(tuán)隊(duì)通過(guò)系統(tǒng)回顧水凝膠纖維的研究進(jìn)展，為未來(lái)的研究提供指導(dǎo)，推動(dòng)水凝膠纖維在多個(gè)領(lǐng)域的應(yīng)用和發(fā)展。相關(guān)內(nèi)容以“A Review of Hydrogel Fiber: Design, Synthesis, Applications, and Futures”為題發(fā)表在《Chemical Reviews》上。

水凝膠纖維的定義與特性

水凝膠纖維是一種結(jié)合了水凝膠材料的柔軟性、濕潤(rùn)性、生物相容性和環(huán)境響應(yīng)性，以及纖維材料的高長(zhǎng)徑比、各向異性和柔韌性的材料。這種材料因其獨(dú)特的結(jié)構(gòu)和功能特性，在生物醫(yī)學(xué)、能源、環(huán)境科學(xué)等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用潛力。

圖1 水凝膠纖維在過(guò)去幾十年的發(fā)展歷程

水凝膠纖維的材料組成

作者詳細(xì)討論了水凝膠纖維的常見(jiàn)材料，包括天然聚合物（如海藻酸鈉、殼聚糖、纖維素等）、合成聚合物（如聚乙烯醇、聚N-異丙基丙烯酰胺等）、單體/寡聚物以及納米顆粒。這些材料的選擇對(duì)水凝膠纖維的性能和功能有重要影響。

圖2 水凝膠纖維制備中常見(jiàn)材料的選擇原則

水凝膠纖維的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

作者強(qiáng)調(diào)了水凝膠纖維的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)對(duì)其性能和功能的重要性。結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)包括微觀結(jié)構(gòu)（如交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)、孔隙結(jié)構(gòu)）、介觀結(jié)構(gòu)（如多網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)、取向結(jié)構(gòu)）和宏觀結(jié)構(gòu)（如空心結(jié)構(gòu)、核殼結(jié)構(gòu)等）。

圖3 水凝膠纖維的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原則

水凝膠纖維的制備技術(shù)

作者討論了水凝膠纖維的多種制備技術(shù)，包括濕法紡絲、微流體紡絲、動(dòng)態(tài)聚合紡絲、3D打印等。這些技術(shù)各有優(yōu)缺點(diǎn)，適用于不同的應(yīng)用場(chǎng)景。

圖4 基于纖維形成過(guò)程中凝膠化過(guò)程的水凝膠纖維制備策略

水凝膠纖維的應(yīng)用

作者詳細(xì)討論了水凝膠纖維在多個(gè)領(lǐng)域的應(yīng)用，包括生物醫(yī)學(xué)（如組織工程、藥物遞送）、能源（如超級(jí)電容器、電池）、環(huán)境（如水處理、污染物吸附）等。這些應(yīng)用展示了水凝膠纖維的多功能性和廣泛的應(yīng)用前景。

圖5 基于響應(yīng)性的水凝膠纖維在傳感和驅(qū)動(dòng)方面的應(yīng)用

水凝膠纖維的未來(lái)發(fā)展方向

作者指出，盡管水凝膠纖維在材料設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和功能構(gòu)建方面取得了顯著進(jìn)展，但仍面臨一些挑戰(zhàn)。未來(lái)的研究將更加注重水凝膠纖維的多功能集成、生物相容性與可降解性、智能化與動(dòng)態(tài)響應(yīng)等方向。這些研究方向?qū)⑼苿?dòng)水凝膠纖維在更多領(lǐng)域的應(yīng)用和發(fā)展。

圖6 水凝膠纖維在組織工程中的應(yīng)用

來(lái)源：高分子科學(xué)前沿