今年是Hermann Staudinger提出大分子理論100週年。 同樣，在水凝膠領域，今年也是第一例合成水凝膠誕生60週年。1960年，Wichterle和Lim通過共聚甲基丙烯酸2-羥乙酯與乙二醇二甲基丙烯酸酯合成了第一個水凝膠。至此之後，水凝膠由於其獨特的固液雙特性引起了學者們廣泛的研究興趣。 特別是在過去的二十年中，水凝膠的研究取得了長足的進展。其方向從最初的基礎科學研究擴展到了各個領域，包括水處理，人造器官，可穿戴電子設備和軟體機器人等。如今，水凝膠已成為跨學科領域中研究最廣泛的材料之一。水凝膠通常被定義為含大量水的三維聚合物網絡。典型的水凝膠可通過交聯親水型聚合物或聚合含交聯劑的水溶性單體而簡單地製備。最初，水凝膠的研究主要集中在化學交聯型水凝膠的基本性能，例如溶脹/去溶脹的動力學及其平衡過程，溶質擴散，體積相變，摩擦，藥載等方面。隨著研究的不斷深入，水凝膠的研究重點也從簡單的聚合物網絡慢慢轉移到了“響應性”網絡。在這一階段，學者們製備出了大量能夠響應各種環境條件變化的水凝膠，例如pH，溫度和磁場等。並開發出了能夠響應於電場和磁場的水凝膠致動器。然而，當時的水凝膠機械強度通常很差，這極大地限制了水凝膠的進一步應用。隨著千禧年的到來，水凝膠也進入了一個嶄新的時代，其機械性能得到了突破性的提高。這一成功使得水凝膠在跨學科領域得到了廣泛的研究。如今，基於能量耗散機理製備出的水凝膠，其強度可以遠優於肌肉和軟骨等生物水凝膠組織。此外，水凝膠也擁有了更多的功能，例如自修復，多種刺激反應，粘附，超浸潤性等。強韌水凝膠的突破性發展極大地擴展了這種材料在各種領域的潛在應用，包括軟體機器人，人造器官，再生醫學等。
但是，與生物軟組織中的水凝膠相比，合成水凝膠在結構以及功能上仍然過於簡單且單一。經過數億年的進化，生物軟組織獲得了兩個特徵的結構。一是其含水結構。大多數軟組織都含有50-85％的水。這種含水結構為動態生物過程提供了基礎。另一特徵是其精細的結構，這包括了從分子到宏觀尺度的多組分，有序-無序的層次結構。正是這兩個特徵賦予了生物組織複雜的生理功能。相反，合成水凝膠通常具有無定形和各向同性的結構。因此，通過模仿生物水凝膠的這些結構，製備出具有優異性能的合成水凝膠面臨極大的機遇。近年來，學者們為開發各種仿生水凝膠做出了大量的努力。
在大分子最新一期的前景展望文章中，北海道大學的龔劍萍教授及助理教授範海龍通過綜述近幾年發表的仿生水凝膠，從單體，聚合物，多層級聚合物網絡，幾何結構和形貌這四個尺度探討了仿生水凝膠目前的研究現狀以及機遇與挑戰。
在展望部分，作者認為雖然通過分析並模仿生物系統已製備了大量出具有多種功能的仿生水凝膠。但是，與天然水凝膠相比，人造水凝膠仍處於起步階段。不論是納米尺度還是宏觀尺度，合成水凝膠都遠遠落後於生物系統。實際上，生物系統具有精細結構的前提是其精確控制的生物聚合物單體序列。因此，聚合物材料最核心的基本問題是聚合物結構的精確控制，而這仍然是高分子化學中的主要挑戰。儘管在過去的十年中，可控聚合取得了長足的進步，但高效合成並進行大規模生產以滿足材料製備的需求仍然是一個巨大的難題。此外，目前的仿生水凝膠通常侷限於一個尺度上進行模仿，而非多尺度。未來的仿生水凝膠應該更復雜；它們不僅應具有精確控制的單體序列，而且還應具有多尺度（微米至毫米）的多級網絡結構。另一方面，儘管生物組織的優異功能歸因於它們的高含水量和精細的結構，但是仍然缺乏對這些功能的科學解釋。通過向自然界學習而獲得的高性能水凝膠可以使我們揭示生物功能的機理，從而回答生物組織中各種結構具有哪些特殊功能等問題。該論文於美國時間4月1日在線發表於
Macromolecules（DOI：10.1021/acs.macromol.0c00238），並選為第53卷第8期雜誌封面。論文第一作者為北海道大學化學反應設計與發現研究所（ICReDD-WPI）助理教授範海龍，通訊作者為北海道大學先端科學研究院，化學反應設計與發現研究所龔劍萍教授。論文鏈接：
https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.macromol.0c00238
軟物質玩出新花樣！--北海道大學龔劍萍教授2019年研究成果集錦
龔劍萍教授/李良彬教授等合作《PNAS》：自修覆水凝膠中的多尺度結構延遲疲勞斷裂
北海道大學龔劍萍團隊《自然·通訊》：鄰位陽離子/苯環序列賦予其水凝膠在海水中強靜電粘附作用
日本北海道大學龔劍萍團隊：具有可調動力學的新型彈性體的快速合成
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