水凝膠是以水為分散介質的具有三維高分子網絡的親水性材料。水凝膠能夠在多種外界刺激下改變形狀和體積，因此在軟體機器人、柔性電子器件和傳感器等領域具有廣泛的應用前景，也引起了科研人員的關注。在生物軟組織中，多尺度結構(如表面微/納米結構，有序三維網狀結構)的存在對於生物材料的自清潔，耐凍，環境適應性和優異的機械性能等功能至關重要。受生物水凝膠結構與功能特性的啟發，研究人員開發了一系列對各種機械和環境條件具有高度適應性的仿生多尺度水凝膠。
圖1 仿生多尺度功能水凝膠的設計與製備：從二維界面到三維網絡
北京航空航天大學劉明傑教授在《高分子學報》2018年第9期上發表的特約綜述中從水凝膠的二維界面性質調控和三維網絡設計兩個方面系統地總結了近年來仿生多尺度水凝膠材料的設計與製備思路。二維界面設計包括表面化學/物理修飾、表面微/納米結構構築，能夠調節水凝膠的表面浸潤性和黏附性，拓展水凝膠在生物醫學、海洋防汙等領域的應用;三維網絡設計，如引入非共價交聯作用、設計有序網絡結構、複合異質網絡等，能夠賦予水凝膠自修復性能、各向異性、高強度、形狀記憶性能及抗凍性等優異的特性，拓展了水凝膠在可穿戴設備，軟體機器人等領域以及複雜環境中的應用。
二維界面設計構築仿生水凝膠
通過設計水凝膠的表面形貌或組成可以賦予水凝膠與天然凝膠材料相似的功能特性。該綜述對兩種典型的水凝膠表面設計方法進行了總結，包括表面化學/物理修飾和表面微/納米結構的構築，並分析了表面工程在拓寬水凝膠實際應用中的重要作用。
圖2 典型的水凝膠表面設計方法: (a) 表面化學修飾;(b) 表面物理修飾; (c) 表面微/納結構的構築
三維網絡設計構築仿生水凝膠
仿生多尺度水凝膠內部三維網絡的設計可以通過施加外力場取向，引入多種交聯方式，以及複合異質網絡等方法實現。該綜述將對這幾種典型的方法進行了總結，回顧了近年來仿生多尺度水凝膠的三維網絡設計策略，討論了三維網絡設計對拓展水凝膠應用的重要作用。
圖3 典型的水凝膠三維網絡設計方法: (a) 引入非共價交聯網絡; (b) 構築有序結構網絡; (c) 設計異質互穿網絡; (d) 設計油水微相分離網絡
此外，該文對仿生水凝膠網絡的設計、異質網絡的分散以及無損表徵等方面未來的發展以及該領域所存在的挑戰做出了展望。
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