有“生命”的材料——自愈合水凝膠

在自然界中，生物體具有自我修復(fù)的能力。例如，當(dāng)我們的皮膚被割傷時，它會自動愈合。而在科學(xué)技術(shù)領(lǐng)域，研究人員也希望能創(chuàng)造出具有“自愈"能力的材料，來模擬這一自然過程。自愈合材料，尤其是自愈合水凝膠，正逐漸成為新材料科學(xué)的重要前沿。它不僅能應(yīng)對機械損傷，還能夠恢復(fù)其功能，極大地拓寬了其在醫(yī)療、電子、環(huán)境保護等領(lǐng)域的應(yīng)用前景。今天我們就來了解一下究竟什么是自愈合水凝膠？它的原理又是怎樣的？

??創(chuàng)傷愈合過程（圖片來源：[1]）

水凝膠是一類含有大量水分的三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)材料，它能夠吸水膨脹，并在水中保持其穩(wěn)定形態(tài)。這些材料通常由天然或合成的高分子物質(zhì)構(gòu)成，因其優(yōu)異的生物兼容性、柔軟性以及良好的吸水性，在醫(yī)藥、化妝品、農(nóng)業(yè)等多個領(lǐng)域中都有廣泛應(yīng)用。自愈合水凝膠，則是在傳統(tǒng)水凝膠的基礎(chǔ)上，通過特殊設(shè)計，使其具備在遭受損傷后能夠具備自我修復(fù)的能力。

??自愈合水凝膠（圖片來源：[6]）

自愈合水凝膠的修復(fù)機制通常包括兩類：一種是化學(xué)修復(fù)機制，通過化學(xué)反應(yīng)修復(fù)損傷；另一種是物理修復(fù)機制，通過物理作用（如氫鍵、范德華力等）恢復(fù)材料的結(jié)構(gòu)。不同的自愈合水凝膠材料，其自愈合的速度、修復(fù)的效果以及適用的環(huán)境條件都有所不同。

自愈合水凝膠的修復(fù)原理涉及到多個方面。首先，許多自愈合水凝膠采用了動態(tài)共價鍵或非共價鍵（如氫鍵、離子鍵等）作為其結(jié)構(gòu)維系力，這些鍵能夠在外力作用下發(fā)生斷裂，但在某些特定條件下（如加熱、光照、化學(xué)反應(yīng)等）又能夠迅速重新形成，恢復(fù)其原有的結(jié)構(gòu)。

??基于動態(tài)亞胺共價鍵的自愈合機理圖（圖片來源：[4]）

例如，一些自愈合水凝膠中包含有可逆的化學(xué)鍵，如酯鍵、二硫鍵等。這些鍵能夠在受到損傷時斷裂，但在合適的條件下，這些鍵會自動重新結(jié)合，修復(fù)損傷部位。還有一些水凝膠通過分子鏈間的相互作用，如氫鍵、離子交換等，使得材料具有“記憶"功能，在受損后能夠自動恢復(fù)原狀。

??自愈水凝膠成膠機制示意圖（圖片來源：[7]）

此外，還有一種新型的自愈合水凝膠利用水合作用進行修復(fù)。當(dāng)水凝膠的表面受損時，水分的重新分布能夠幫助材料恢復(fù)其結(jié)構(gòu)。這種修復(fù)機制通常是在水凝膠內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)發(fā)生微觀損傷時發(fā)揮作用，修復(fù)速度較快，適用于一些較為柔軟的材料。

自愈合水凝膠在醫(yī)學(xué)上的應(yīng)用，尤其是在創(chuàng)傷修復(fù)和藥物遞送系統(tǒng)中，表現(xiàn)出了巨大的潛力。在傷口愈合方面，自愈合水凝膠能夠在人體創(chuàng)傷處快速修復(fù)，減輕患者的痛苦并加速傷口愈合。比如，研發(fā)人員已經(jīng)成功將自愈合水凝膠應(yīng)用于創(chuàng)可貼、傷口敷料等產(chǎn)品中。這些水凝膠不僅能夠吸濕，還可以緩慢釋放藥物，促進組織的再生。

??動態(tài)抗菌水凝膠的制備及應(yīng)用示意圖（圖片來源：[5]）

自愈合水凝膠還被廣泛應(yīng)用于柔性電子設(shè)備的研發(fā)中。柔性電子設(shè)備要求材料能夠在彎曲、拉伸、壓縮等條件下保持性能。自愈合水凝膠由于其良好的彈性和自愈能力，已被用來制造柔性傳感器、可穿戴設(shè)備等。這些設(shè)備可以在遭受外力損傷后，快速自我修復(fù)，恢復(fù)功能，大大延長了設(shè)備的使用壽命。

??自愈合水凝膠在生物傳感器的應(yīng)用（圖片來源：[2]）

自愈合水凝膠在環(huán)境保護和能源領(lǐng)域也有著廣泛的應(yīng)用前景。例如，研究人員正在嘗試將其用于電池和超級電容器的制造。自愈合功能可以使電池在遭受微小損傷時自動修復(fù)，從而提高電池的使用壽命和安全性。此外，自愈合水凝膠也能夠被應(yīng)用于水處理和污染物捕捉等領(lǐng)域，用于去除水中的有害物質(zhì)。

??全低共熔凝膠軟電池（AESB）的設(shè)計構(gòu)筑（圖片來源：[3]）

在智能材料的設(shè)計上，自愈合水凝膠的應(yīng)用將是一個革命性的突破。這些水凝膠可以被用來制造具有自修復(fù)能力的智能表面、傳感器以及其他高性能材料。例如，一些自愈合水凝膠可以在機械磨損、裂紋或疲勞損傷后恢復(fù)原狀，提高材料的耐用性和穩(wěn)定性。