神奇的水凝胶 / 仰大勇、郭保林、陈涛水凝胶最新成果速递

仰大勇（天津大学）

1. Nano Letters持久发光的水凝胶用于无自发荧光的肿瘤转移成像

癌细胞转移是癌症发病率和死亡率的主要原因。为了获得有效的诊断和治疗，需要对肿瘤转移进行精确的成像。天津大学仰大勇课题组报道了包含持久发光纳米颗粒（PLNPs）的水凝胶用于靶向、持续和无自发荧光的肿瘤转移成像。PLNPs提供了可再生的、持久的近红外（NIR）发射且无需原位辐射，有利于深层组织穿透成像而无背景干扰。PLNPs与4-羧苯基硼酸连接以产生PLNPs-CPBA，其特异性识别转移性乳腺癌细胞并通过受体介导的内吞作用对转移病灶的原发性肿瘤部位进行选择性标记。PLNPs-CPBA标记的癌细胞能够实现灵敏的成像性能和高存活率，而不会影响癌细胞的迁移和侵袭性以进行长期追踪。将PLNPs-CPBA进一步封装在藻酸盐内以生成持久发光的水凝胶（PL-gel），以实现PLNPs-CPBA的持续释放和肿瘤细胞标记，并且与PLNPs-CPBA悬浮液相比，PL-gel显示出增强的可再生持久发光。持续发光成像持续跟踪小鼠乳腺癌模型中癌细胞的转移，PL-gel实现了无背景、无创且高度选择性的肿瘤转移成像。在该项研究中，PL-gel经过合理设计可专门针对其他类型的癌细胞，从而为研究肿瘤转移提供有潜力而通用的平台。^[1]相关研究以“Persistent Luminescent Nanoparticles Containing Hydrogels for Targeted, Sustained, and Autofluorescence-Free Tumor Metastasis Imaging”为题，发表在Nano Letters。

图一：PL-gel靶向、持续且无自发荧光的肿瘤转移追踪系统示意图

2. Chem. Mater.配位介导的氧化还原机械响应水凝胶

随着动态化学的发展，有机碲化学打开了动态反应新领域的大门，为发展具有可切换机械性能的材料提供了新的方法。天津大学仰大勇课题组受生物启发报道了基于氧化还原的机械响应水凝胶，它是通过碲醚和铂离子之间的动态配位形成的。低电负性和良好s电子给体能力的碲醚有助于其与铂离子的配位。配位相互作用是具有氧化还原活性的：碲醚在氧化时（例如H₂O₂）可以与铂离子解离，因为极性溶剂的作用会大大降低氧化碲醚的热力学活性；通过对氧化的碲醚还原（例如维生素C）容易再生与铂离子的配位相互作用。当含单体的碲醚与N-羟乙基丙烯酰胺之间的共聚将配位体系引入到水凝胶的聚合物网络中时，由于碲醚和铂离子之间的动态配位相互作用，水凝胶在氧化还原刺激下显示出可切换且可调节的微孔结构和机械强度。碲醚和铂离子的动态配位相互作用赋予了水凝胶微观结构和力学可逆的调节作用。这项工作提供了新的动态配位化学和新的策略来制备机械响应水凝胶。^[2]相关研究以“Bioinspired Mechanically Responsive Hydrogel upon Redox Mediated by Dynamic Coordination between Telluroether and Platinum Ions”为题，发表在Chem. Mater.。

图二：碲醚与铂离子之间氧化还原介导的动态配位示意图

3. Advance Science可逆响应型荧光变色水凝胶

响应外部刺激而动态变化的荧光变色材料对于高级传感器和发光材料的开发具有重要意义。天津大学仰大勇课题组报道了具有镧系元素（Eu和Tb）的特征发射并显示出对金属离子的刺激响应的聚合物水凝胶。荧光变色水凝胶是在凝胶基质中使用镧系元素-甘露糖复合物制备的，该复合物对溶液中Fe²⁺的刺激具有荧光响应。由于抑制了金属离子和配体之间的“天线效应”，镧系元素-甘露糖复合物对Fe²⁺的响应显示出可调的荧光发射；荧光水凝胶对Fe²⁺/乙二胺四乙酸（EDTA）显示出可逆“开/关”荧光响应，这是通过镧系元素与甘露糖之间受外部离子刺激控制的动态配位来实现该过程。荧光水凝胶在原位3D细胞培养的细胞外基质中对Fe²⁺/ EDTA上具有可逆的荧光变化“开/关”，显示出荧光水凝胶的无毒性和良好的生物相容性。这种可逆响应的荧光变色水凝胶展示了一种制造智能光学材料的方法，特别是对于需要可逆响应的生物相关应用。^[3]相关研究以“A Reversibly Responsive Fluorochromic Hydrogel Based on Lanthanide–Mannose Complex”为题，发表在Advance Science。

图三：响应型可逆荧光水凝胶制备及响应示意图

4. J. Mater. Chem. C高量子产率和多刺激响应性的白色发光水凝胶

白光发射（WLE）水凝胶作为刺激响应性材料在制造智能分子机器、设备和材料具有重要意义。天津大学仰大勇课题组报道了由荧光素和碳点组成的具有高量子产率和多刺激响应性的镧系元素WLE水凝胶。通过调整镧系元素络合物、荧光素和碳点的化学计量比，可以获得具有纯白色发射的水凝胶。通过三个主要有色发射体之间的共振能量转移，WLE水凝胶的绝对量子产率高达18.00％。该结果归因于三个发射器的高量子产率以及从Eu³⁺- 胞苷和碳点转移到异硫氰酸荧光素共振能量转移。利用Eu³⁺、异硫氰酸荧光素和碳点之间的动态非共价键，WLE水凝胶对多种刺激（例如pH、Fe³⁺和热环境）表现出光学响应。该工作为制备智能的白光发射水凝胶提供了新的策略。^[4]相关研究以“Lanthanide based white-light-emitting hydrogel mediated by fluorescein and carbon dots with high quantum yield and multi-stimuli responsiveness”为题，发表在J. Mater. Chem. C。

图四：白光发射水凝胶的制备示意图

5. ACS Appl. Mater. Interfaces多响应超分子发光水凝胶

天然分子的超分子发光水凝胶具有独特的光学性能和生物相容性，在生物成像、生物传感、细胞工程等领域显示出非常有前景的应用潜力。基于镧系元素配合物的系统提供了一种制备超分子发光水凝胶的有前途的方法。天津大学仰大勇课题组报道了由镧系元素和核苷组装而成的发光水凝胶。核酸的主要成分核苷作为配体，与镧系元素成功螯合并在水中形成复合物。该复合物用作构建超分子水凝胶的基础材料并表现出镧系元素的特征性发光。通过电喷雾电离飞行时间质谱、基质辅助激光解吸/电离飞行时间质谱、1H NMR光谱和傅里叶变换红外光谱研究了配位模式和形成机理，提出了相应的分子模拟，并系统地研究了水凝胶的宏观/微观形态、力学性能和发光性能。发光水凝胶在响应外部刺激（pH值、温度、阴离子和阳离子）时表现出荧光致变色特性，因此可用于设计智能发光开关并检测特定物种（例如Cu²⁺）。该工作为制备刺激响应的发光水凝胶提供了可行的策略，揭示了基于核苷的水凝胶的多种潜力，并展示了制备智能光学材料的新颖途径。^[5]相关研究以“Multiresponsive Supramolecular Luminescent Hydrogels Based on a Nucleoside/Lanthanide Complex”为题，发表在ACS Appl. Mater. Interfaces。

图五：超分子水凝胶的制备及发光特性示意图

郭保林（西安交通大学）

6. Adv. Funct. Mater.多重功能的双网络水凝胶粘合剂用于抵抗多种药物耐药细菌感染和伤口敷料

开发具有高愈合效率和光热抗菌活性的物理双网络可移动水凝胶粘合剂，以应对多药耐药细菌感染、伤口闭合和伤口愈合具有重要意义。西安交通大学郭保林课题组设计了一种在生理条件下可注射的双网络物理自修复水凝胶粘合剂用于治疗多种药物耐药细菌感染和全层皮肤切口/缺陷修复。水凝胶粘合剂由儿茶酚-Fe³⁺配位交联的聚癸二酸甘油酯-共聚乙二醇-g-邻苯二酚和四重氢键交联的脲基-嘧啶酮改性明胶组成。水凝胶具有出色的抗氧化性、NIR / pH响应性和形状适应性。另外，水凝胶表现出快速的自我修复、良好的组织粘附性、降解性、光热抗菌活性以及近红外辐射或酸性溶液洗涤辅助的可去除性。水凝胶对皮肤的创伤具有良好的止血作用，对耐甲氧西林的金黄色葡萄球菌（MRSA）具有很高的杀灭率，比医用胶和外科缝合线具有更好的伤口闭合和皮肤切口愈合能力。水凝胶可以通过调节炎症、加速胶原蛋白沉积、促进肉芽组织和血管形成来促进全层皮肤缺损伤口愈合。该物理双网络水凝胶粘合剂是出色的多功能敷料，可用于治疗体内MRSA感染、伤口闭合和伤口愈合。^[6]相关研究以“Physical Double-Network Hydrogel Adhesives with Rapid Shape Adaptability, Fast Self-Healing, Antioxidant and NIR/pH Stimulus-Responsiveness for Multidrug-Resistant Bacterial Infection and Removable Wound Dressing”为题，发表在Adv. Funct. Mater.。

图六：物理双网络水凝胶制备示意图

7. Small 具有持续药物释放和光热抗菌活性的导电复合水凝胶促进伤口愈合

在临床应用中具有包括粘附性、抗菌、自由基清除能力以及良好的机械性能的多功能可注射纳米复合导电水凝胶敷料用于增强全厚度皮肤伤口再生具有重要意义。西安交通大学郭保林课题组制备了一系列透明质酸接枝多巴胺和氧化石墨烯（H₂O₂/辣根过氧化物酶系统还原）组成的止血抗氧化剂导电光热抗菌水凝胶用于伤口包扎。该水凝胶显示出高溶胀、可降解、可调节的流变特性以及与人类皮肤相似或更好的机械特性。聚多巴胺赋予的抗氧化活性、组织粘附性、止血能力、自愈能力、电导率和近红外辐射增强了水凝胶的体内抗菌性能。此外，药物释放和抑制区域测试显示出水凝胶的持续药物释放能力。水凝胶敷料可通过上调CD31的生长因子表达来显着增强血管形成，改善肉芽组织厚度和胶原蛋白沉积，促进伤口闭合，并且比市售Tegaderm膜具有更好的治疗效果。这些具有持续药物释放特性的止血抗氧化导电水凝胶给全层皮肤修复提供一种新的策略。^[7]相关研究以“Adhesive Hemostatic Conducting Injectable Composite Hydrogels with Sustained Drug Release and Photothermal Antibacterial Activity to Promote Full-Thickness Skin Regeneration During Wound Healing”为题，发表在Small。

图七：水凝胶制备及修复伤口示意图

8. Biomaterials多功能的抗菌可注射水凝胶用于伤口敷料和皮肤伤口愈合

自愈性、粘附性和合适的机械性能的优异伤口敷料在关节皮肤伤口愈合中具有重要的实践意义。西安交通大学郭保林课题组设计了一种具有自我修复功能的可注射胶束/水凝胶复合材料用作关节皮肤损伤的伤口敷料。在生理条件下，通过结合动态席夫碱和共聚物胶束交联以及混合季铵化壳聚糖和苯甲醛封端的F127制备了一系列水凝胶。水凝胶作为伤口敷料具有多功能性，包括抗菌性能、pH依赖性、生物降解和可释放性。该水凝胶敷料显示出与人类皮肤相当模量的拉伸和压缩性质，其中良好的粘附性和快速的自愈能力以承受变形，而且还表现出有效的止血性能和生物相容性。此外，负载姜黄素的水凝胶显示出良好的抗氧化能力和pH响应释放曲线。在全层皮肤缺损模型中，姜黄素负载的水凝胶可显着加速伤口愈合速度，并具有更高的肉芽组织厚度、胶原蛋白分布以及上调的血管内皮生长因子。该抗菌粘合水凝胶作为关节皮肤伤口愈合的敷料具有广阔的前景。^[8]相关研究以“Antibacterial adhesive injectable hydrogels with rapid self-healing, extensibility and compressibility as wound dressing for joints skin wound healing”为题，发表在Biomaterials。

图八：水凝胶合成及进行各种操作的示意图

9. ACS Appl. Mater. Interfaces刺激响应性导电纳米复合水凝胶用于人体运动感应

自修复的粘性导电水凝胶在可穿戴电子设备，柔性可印刷电子设备和组织工程支架中具有重要意义。西安交通大学郭保林课题组提出了基于纳米粘土（膨润土）、多壁碳纳米管和N-异丙基丙烯酰胺的导电自修复纳米复合水凝胶。该纳米复合水凝胶显示出良好的导电性、快速的自愈和粘合性能、柔性和可拉伸的机械性能以及对近红外光和温度的高敏感性。在基质中具有相互连接的多壁碳纳米管网络，纳米复合水凝胶表现出大孔结构。将这些可拉伸导电纳米复合水凝胶应用在人体运动监测中的传感器及其3D打印性能领域具有良好的效果。该导电水凝胶的良好细胞相容性使得在刺激响应性电子设备、可穿戴电子产品等方面具有广阔的应用前景。^[9]相关研究以“Stimuli-Responsive Conductive Nanocomposite Hydrogels with High Stretchability, Self-Healing, Adhesiveness, and 3D Printability for Human Motion Sensing”为题，发表在ACS Appl. Mater. Interfaces。

图九：自修复导电纳米复合水凝胶的制备图解

10. Chemical Engineering Journal可降解、注射的导电性水凝胶作为新型抗菌、抗氧化伤口敷料

为了防止伤口感染，进一步发展具有出色的伤口修复和皮肤再生的新型伤口敷料具有重要意义。西安交通大学郭保林课题组设计了一种具导电性、理想的抗氧化能力和抗菌性能的可注射水凝胶敷料用于皮肤损伤的修复。在生理条件下，通过混合生物相容性聚合物N-羧乙基壳聚糖和氧化的透明质酸接枝苯胺四聚体聚合物，制备了导电的抗氧化剂水凝胶。该水凝胶表现出稳定的流变性、高溶胀比、合适的胶凝时间、良好的体外生物降解性、电活性和自由基清除能力。加入抗生素阿莫西林后，水凝胶显示出良好的抗菌性能，可有效防止伤口感染。、在全厚度皮肤缺损模型中，添加苯胺四聚体的水凝胶可显着加快伤口愈合速度，并具有更高的肉芽组织厚度、胶原蛋白分布和更多的血管生成作用。该研究为设计电活性可注射水凝胶作为伤口敷料提供新的研究思路，在伤口愈合等医疗体系中具有广阔应用前景。^[10]相关研究以“Degradable conductive injectable hydrogels as novel antibacterial, antioxidant wound dressings for wound healing”为题，发表在Chemical Engineering Journal。

图十：水凝胶的制备及其应用示意图

陈涛（中国科学院宁波材料技术与工程研究所）

11. Angew. Chem. Int. Ed.荧光-颜色可切换聚合物水凝胶致动器

为了响应环境刺激之间的相互作用，许多活生物体对其颜色、形状和形态进行了控制用于伪装、交流甚至繁殖。通过集成基于聚合物薄膜或弹性体的变色功能来开发智能的致动器/机器人。受到生物启发，中国科学院宁波材料技术与工程研究所陈涛课题组报道了基于超分子动态金属-配体配位的仿生协同荧光-颜色可切换聚合物水凝胶致动器。通过6-丙烯酰胺基吡啶甲酸钾和N-异丙基丙烯酰胺的自由基共聚反应，然后与Eu³⁺和Tb³⁺配位制备水凝胶。水凝胶分别显示Eu³⁺和Tb³⁺的特征性强红光和绿光发射。将已开发的多色荧光水凝胶与平底纸粘合在一起，从而制备双层软执行器。此外，还开发了与自然变色龙类似且具有伪装能力的智能变色龙形状的机器人，该机器人可同时显示人体运动以及皮肤颜色从红色变为黄色或绿色的变化。该研究首次制造了水凝胶杏花和变色龙，其中同时的变色和形状变形行为由酸度/碱度、金属离子和温度之间的微妙相互作用控制。这项工作使变色机器人变得易于使用，并有望在仿生软机器人、生物传感器和伪装中拥有广泛的潜在应用。^[11]相关研究以“Bioinspired Synergistic Fluorescence-Color-Switchable Polymeric Hydrogel Actuators”为题，发表在Angew. Chem. Int. Ed.。

图十一：生物启发的协同荧光-颜色可切换的聚合物水凝胶致动器的示意图

12. Adv. Funct. Mater.3D荧光水凝胶3D防伪平台

荧光的防伪策略主要将信息编码到单个2D平面上，并未充分利用3D结构内部的数据进行加密以实现多阶段数据安全性的可能性。中国科学院宁波材料技术与工程研究所陈涛课题组展示了一种基于荧光水凝胶的3D防伪平台，该平台将数据加密功能从单个2D平面扩展到了复杂的3D水凝胶折纸几何形状。该材料基于芘四羧酸官能化的明胶/聚乙烯醇水凝胶，同时显示出Fe³⁺响应的荧光猝灭，硼砂激发的形状记忆和自修复特性。通过折纸技术构建出各种复杂几何形状的3D水凝胶。该水凝胶搭建了一个3D防伪平台，其中使用Fe³⁺作为墨水，打印的数据在复杂的3D水凝胶折纸结构内部得到了安全保护，只有经过特殊的预先设计的程序（形状恢复和紫外线照射操作）之后，才能读取加密的数据，这表明比传统的2D防伪平台具有更高的信息安全性。这种简便而通用的策略开辟了利用3D荧光水凝胶折纸进行数据信息加密和保护的可能性。^[12]相关研究以“3D Fluorescent Hydrogel Origami for Multistage Data Security Protection”为题，发表在Adv. Funct. Mater.。

图十二：基于荧光水凝胶的3D防伪平台的数据加密和解密过程示意图

13. ACS Macro Lett.高荧光和可局部调节发射的3D高分子水凝胶

强而可调谐荧光的聚合物水凝胶在生物成像、传感、信息存储等方面具有广泛的潜在应用而备受研究兴趣。中国科学院宁波材料技术与工程研究所陈涛课题组报道了基于常规聚集诱导猝灭型（萘二甲酰亚胺荧光团）的高荧光聚合物水凝胶并对其荧光行为进行了时间和空间的调控。在壳聚糖-乙酸溶液中通过一锅法将含萘二甲酰亚胺的单体和丙烯酰胺进行自由基共聚制备水凝胶。水凝胶具有很强的荧光强度归因于质子化萘二甲酰亚胺基团接枝到聚合物链上的协同锚固和稀释作用，这导致聚集诱导猝灭发光剂之间产生静电排斥，并降低了相邻二甲胺基团对萘二甲酰亚胺荧光团的光诱导电子转移效应。在碱性条件下去质子化后，光诱导电子转移效应和聚集诱导猝灭效应都再次起作用以极大地猝灭荧光，使水凝胶具有pH敏感的荧光发射响应。通过该水凝胶开发一种扩散反应方法用于在空间和时间上控制其荧光行为，并进一步开发了离子转移印刷辅助扩散反应方法用于在水凝胶上制备高精度和有意义的荧光图案。利用荧光图案在日光下不可见而在特定的紫外线照射下会显现的原理，为信息安全和传输中的应用提供一种新的策略。^[13]相关研究以“Aggregation-Caused Quenching-Type Naphthalimide Fluorophores Grafted and Ionized in a 3D Polymeric Hydrogel Network for Highly Fluorescent and Locally Tunable Emission”为题，发表在ACS Macro Lett.。

图十三：通过扩散反应方法进行水凝胶发射行为的时空调控示意图

14. Sci.China Mater.荧光水凝胶用于分层和多维解密的电离印刷控制信息存储

为了防止假冒活动和信息泄漏，信息存储和相应的加密/解密具有重要的现实意义。中国科学院宁波材料技术与工程研究所陈涛课题组提出了将可控的离子印迹将信息存储到荧光水凝胶上用于信息的分层和多维解密。通过将芘和羧基结合到聚合物水凝胶网络中，利用Fe³⁺电离印刷进行整合，实现荧光和形变行为的调控。 Fe³⁺向荧光水凝胶中的扩散可淬灭部分的荧光，并与羧基螯合以生成各向异性结构同时产生形变行为。当暴露于紫外光并放入水中时，基于荧光猝灭的2D信息和基于致动的3D信息可以被分层解密。通过用H⁺代替Fe³⁺来删除存储的信息，从而使荧光水凝胶成为可回收的信息存储材料。该工作可以为设计和制造用于分层和多维信息加密的新型软设备提供新的见解，以应对假冒和机密信息泄露这一类现实问题。^[14]相关研究以“Ionoprinting controlled information storage of fluorescent hydrogel for hierarchical and multidimensional decryption”为题，发表在Sci China Mater.。

图十四：荧光水凝胶用于分层和多维解密的电离印刷控制信息存储的示意图

参考文献：

1. Zhao H., Liu C., Gu Z., et al. Persistent Luminescent Nanoparticles Containing Hydrogels forTargeted, Sustained, and Autofluorescence-Free Tumor MetastasisImaging. [J] Nano Lett. 2020, 20, 252-260.

2. Li F., Zhang X., Hu S., et al.Bioinspired Mechanically Responsive Hydrogel upon RedoxMediated by Dynamic Coordination between Telluroether and Platinum Ions. [J] Chem. Mater. 2020, 32, 2156-2165.

3. Meng K., Yao C., Ma Q., et al. A Reversibly Responsive Fluorochromic Hydrogel Basedon Lanthanide-Mannose Complex. [J] Adv. Sci. 2019, 6, 1802112.

4. Xue J., Xu X., Zhu Y., et al.Lanthanide based white-light-emitting hydrogelmediated by fluorescein and carbon dots with high quantum yield and multi-stimuli responsiveness. [J] J. Mater. Chem. C 2020, 8, 3380-3385.

5. Ma Q., Zhang M., Xu X., et al.Multiresponsive Supramolecular Luminescent Hydrogels Based on aNucleoside/Lanthanide Complex. [J] ACS Appl. Mater. Interfaces 2019, 11, 47404-47412.

6. Zhao X., Liang Y., Huang Y., et al. Physical Double-Network Hydrogel Adhesives with RapidShape Adaptability, Fast Self-Healing, Antioxidant andNIR/pH Stimulus-Responsiveness for Multidrug-Resistant Bacterial Infection and Removable Wound Dressing. [J] Adv. Funct. Mater. 2020, 1910748.

7. Liang Y., Zhao X., HuT.,et al. Adhesive Hemostatic Conducting Injectable Composite Hydrogels with Sustained Drug Release and Photothermal Antibacterial Activity to Promote Full-Thickness Skin Regeneration During Wound Healing. [J] Small 2019, 15, 1900046.

8. QuJ., ZhaoX., Liang Y., et al. Antibacterial adhesive injectable hydrogels with rapid self-healing, extensibility and compressibility as wound dressing for joints skin wound healing. [J] Biomaterials 2018, 183, 185-199.

9. Deng Z., Hu T., Lei Q., et al.Stimuli-Responsive Conductive Nanocomposite Hydrogels withHigh Stretchability, Self-Healing, Adhesiveness, and 3D Printability for Human Motion Sensing. [J] ACS Appl. Mater. Interfaces 2019, 11, 6796-6808.

10. QuJ., ZhaoX., Liang Y., et al. Degradable conductive injectable hydrogels as novel antibacterial, antioxidant wound dressings for wound healing. [J] Chemical Engineering Journal 2019, 362, 548-560.

11. Wei S., Lu W., Le X., et al.Bioinspired Synergistic Fluorescence-Color-Switchable PolymericHydrogel Actuators. [J] Angew. Chem. Int. Ed. 2019, 58, 16243-16251.

12. Zhang Y., Le X., Jian Y., et al.3D Fluorescent Hydrogel Origami for MultistageData Security Protection. [J] Adv. Funct. Mater. 2019, 29, 1905514.

13. Li P., Zhang D.,ZhangY., et al. Aggregation-Caused Quenching-Type Naphthalimide Fluorophores Grafted and Ionized in a 3D Polymeric Hydrogel Network for Highly Fluorescent and Locally Tunable Emission. [J] ACS Macro Lett. 2019, 8, 937-942.

14. LeX., Lu W., He J., et al. Ionoprinting controlled information storage of fluorescent hydrogel for hierarchical and multidimensional decryption. [J] Sci China Mater. 2019, 62, 831-839.

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