水凝胶袖珍机器东谈主，材料千般性能优

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一、小引

频年来，袖珍机器东谈主在医学界限的发展取得了权贵进展，水凝胶袖珍机器东谈主因其私有上风备受暖热。它们具有追究的生物相容性、可颐养的物理力学性能以及对生物环境的是非感知能力，在靶向药物输送、伤口愈合、生物成像和精准手术侵扰等方面泄露着热切作用。

二、水凝胶袖珍机器东谈主的发展历程

（一）早期发展

水凝胶袖珍机器东谈主的早期发展侧重于赋予其基本的劝诱能力，举例讹诈磁场、光或超声等外部刺激进行鼓舞。举例，药物封装的聚（乳酸-共-酒精酸）（PLGA）磁性微球可在外部磁场的调制下进行旋转和线性劝诱。

（二）时刻跳动

跟着时刻的跳动，遐想要点转向水凝胶袖珍机器东谈主对生物环境变化的智能反应能力，如pH值波动、温度变化以及对特定生物分子的识别。举例，一种可生物降解的水凝胶基袖珍游动器或者把柄基质金属卵白酶-2（ MMP -2）酶浓度的变化，赶快扩张其里面水凝胶网罗，从而开释封装的药物。

（三）进一步发展

水凝胶袖珍机器东谈主不断得到改良，或者在医疗场景中现实更复杂和精准的任务。如一种多功能医疗袖珍机器东谈主系统，它不仅或者达成肝脏化疗栓塞，还能通过X射线和磁共振成像（MRI）进行及时和术后成像。该系统结合了带有水凝胶包裹的多孔结构和磁性纳米粒子的袖珍机器东谈主，讹诈磁性导航精准靶向肿瘤供血血管，在生物体内平直应用经导管肝化疗。

三、水凝胶材料分类及本性

（一）基于起原分类

1、自然水凝胶

源自自然物资，具有出色的吸水能力和凝胶本性。举例，琼脂糖、透明质酸、海藻酸盐和壳聚糖等多糖类，以及纤维联接卵白、丝胶卵白、胶原卵白和明胶等卵白质类。这些自然水凝胶以其优异的生物相容性和生物降解性而著称。

2、合成水凝胶

由合成团聚物制成，能精准限度化学因素和机械性能。举例，聚乙烯醇（PVA）、聚乙二醇（PEG）和聚（N-乙烯基己内酰胺）（PNVCL）等。通过改变合成时刻和材料组成，不错致密调整这些合成水凝胶材料的物理化学和功能属性，以抖擞特定应用需求。

（二）基于制备要领分类

1、物理交联水凝胶

通过物理（氢键）键合、结晶、离子互相作用、小分子自拼装和机械散布等多种机制造成凝胶结构。举例，透明质酸、壳聚糖等。这些水凝胶具有易得到、无需交联剂、可逆、生物相容性好且性能可颐养的优点，适用于多种应用。

2、化学交联水凝胶

由团聚物链共价键合造成始终性网罗结构，被称为不行逆凝胶。举例，乳清卵白、Kolliphor和纤维素纳米纤维等。其制备经由波及多种反应，如光团聚、酶促经由和点击化学等，确保造成坚固合手久的凝胶框架。

（三）刺激反应性水凝胶

1、pH反应性水凝胶

其结构和物理属性可把柄环境pH值进行致密调整。举例，与4D激光打印时刻结合的pH反应性水凝胶，可用于斥地或者在精准位置进行靶向药物输送的磁性袖珍机器东谈主。此外，还应用于多功能微针传感贴片，用于视觉监测伤口pH值。

2、温度反应性水凝胶

对温度波动具有反应性，在不同热条目下发扬出可逆的扩张和削弱能力。举例，壳聚糖在水中融解后，在约32°C时从流体团聚物溶液编削为凝胶情状。基于PNIPAM的刷子也能可逆地反应温度变化，从而可通过颐养温度来限度药物开释速率。

3、光反应性水凝胶

或者在光强、波长或所在改变时发生凝胶化或融解。举例，一种改性的富马酰胺应用，可使材料从液态编削为凝胶态。讹诈光动作凝胶化的触发因素，可达成对经由的时空颐养，增强功能反应的精度和可控性。

4、电反应性水凝胶

不错通过独揽电场强度和所在来颐养其凝胶化和融解经由。举例，当受到电场作用时，这些水凝胶或者融解、削弱或波折，有用地将电能颠簸为机械能。这种本性使其在传感器时刻、控释药物和智能材料斥地等界限具有庸碌应用。

5、化学反应性水凝胶

对特定化学物资的存在或浓度变化敏锐，会发生凝胶化或融解反应。举例，可将葡萄糖反应元件整合到胰岛素或胰岛素输送系统中，促进生物活性开释，在控释药物等生物医学应用中具有潜在价值。

四、水凝胶袖珍机器东谈主的制备要领

（一）微流控要领

微流控波及在微流控芯片上的微圭臬通谈内独揽不相溶的流体，在通谈交叉处造成液滴，随后将这些液滴交联产生水凝胶微球。

（二）乳化要领

乳化是将不相溶的液体（如水和油）夹杂，通过搅动产生可交联的水凝胶液滴。举例，通过在壳聚糖和聚丙烯酰胺接枝瓜尔胶之间造成互穿团聚物网罗来制造水凝胶微球，体现了乳化要领在合成复杂水凝胶结构方面的多功能性。

（三）3D打印

用于制造具有致密加工结构和复杂几何口头的袖珍水凝胶机器东谈主。举例，基于双光子团聚（TPP）的3D打印时刻可用于纳米级精度制造三维螺旋结构，赋予明胶甲基丙烯酸酯（GelMA）水凝胶机器东谈主精准界说的属性和功能。

（四）光刻时刻

光刻时刻接受具有微米或纳米级分辨率的光掩模来制造致密结构。举例，聚二甲基硅氧烷（PDMS）、聚氨酯（PU）和聚酰亚胺等材料可动作构建机器东谈主躯壳结构的模板，赋予机器东谈主框架生动性、可定制性和耐用性。

（五）电喷雾电离

电喷雾电离（ESI）是一种通过电位能源力运行液体雾化的时刻，借助静电力量和离子交联剂合成水凝胶微球。举例，通过调整实验参数，不错定制粒径，出产出直径从几微米到数千微米的均匀水凝胶微球。在这个经由中，凝胶溶液在高压下雾化成轻细液滴，然后短暂离子化，液滴内的材料发生交联或凝胶化反应，造成固体水凝胶微球。

五、水凝胶袖珍机器东谈主的运行神态

（一）磁运行

磁运行在袖珍机器东谈主界限具有很大的应用出路，举例，讹诈磁场运行水凝胶基袖珍机器东谈主结尾现实器现实精准任务，如靶向、开释和采样等。遐想还达成了在单个均匀回荡磁场中对多达四个柔性薄膜磁性袖珍机器东谈主的竣工零丁妥协耦限度。此外，对磁运行微群体的遐想也取得了进展，如讹诈激光散射对比成像及时追踪血管内的磁性纳米机器东谈主群体，达成其在血管内的引导导航。

（二）光运行

光动作无线供电和限度出动袖珍建立的常用器用，也庸碌用于运行袖珍机器东谈主。举例，光催化袖珍机器东谈主讹诈外部光源和周围化学环境的能量达成高效鼓舞。光反应性水凝胶可使袖珍机器东谈主在光的作用下现实可逆和沟通劝诱，达成无线遥控。

（三）电场运行

电场运行要领无需独特燃料源，主要讹诈直流或交流电场进行鼓舞。举例，在水凝胶机器东谈主外名义树立由金属纳米粒子组成的褶皱纳米膜电极，通过毛细管力拼装并由溶剂化劝诱，扶助机器东谈主对电场的性能和反应能力。

（四）化学运行

化学运行机制主要讹诈化学反应产生的局部浓度梯度、电位梯度以及气泡来推动袖珍机器东谈主在流体环境中导航。

（五）温度运行

基于温度反应性水凝胶的旨趣，将对温度敏锐的材料集成到超分子纳米电机中，使其在一定温度范围内发生形态或性能变化，从而颐养劝诱速率。举例，一些超分子纳米电机和温度反应性材料在精密限度货色运输方面具有潜在应用。

（六）超声运行

超声运行讹诈超声波精准限度和推动袖珍机器东谈主，具有非侵入性、持久性和生物相容性好的本性。举例，一种包含基于明胶的水凝胶基质的袖珍炮机器东谈主，该基质中镶嵌了全氟碳乳液和纳米枪弹，通过超声激活拼装。这种时刻可达成深部组织穿透，捎带并精准部署多个有用载荷，在医疗会诊、和洽输送和物流等界限具有应用后劲。

六、濒临的挑战及改日发展所在

（一）挑战

1、多功能性

当今水凝胶袖珍机器东谈主需要从单一功能建立向多功能建立发展，举例创建集成生物监测、药物输送和和洽侵扰等多种功能的水凝胶可衣裳建立，这需要对各式功能模块进行政策遐想和整合。

2、可加工性

尽管水凝胶袖珍机器东谈主的制备相对浮浅，但扶助制备经由的限度和沟通性依然挑战，包括材料选拔、结构限度和形态遐想等方面，以确保机器东谈主的一致性和重大性，抖擞不同应用需求。

3、环境可合手续性

水凝胶袖珍机器东谈主虽具有生物相容性和降解性，但在遐想和制备经由中应进一步优先使用可再生、可生物降解材料，并减少能源破费和废料产生，以确保其环境可合手续性。

4、可编程性

接头到水凝胶袖珍机器东谈主的生动性和符合性，需要对其激活时的重大性和精度进行限度。这意味着要通过外部信号或限度器对其操作进行精准限度，并具备及时反馈机制，以符合不同任务需求。

5、刺激选拔性

由于水凝胶具有多种刺激反应本性，袖珍机器东谈主需要或者永别并选拔性地反应特定刺激，如温度、光或电场等，以达成精准劝诱、运行和靶向操作。

6、运行成果

水凝胶材料的柔嫩性和低密度导致能量编削成果低，鼓舞成果不高，且面前的能量供应要领无法提供饱胀的能源，这对扶助运行成果、确保饱胀能源以及精准限度机器东谈主劝诱组成了封闭。

（二）改日发展所在

为了鼓舞水凝胶袖珍机器东谈主的发展，需要在新材料和运行时刻界限进行庸碌遐想。斥地具有更好重大性、可控性和可扩展性的新式水凝胶材料，关于达奏效劳千般性和优化机器东谈主性能至关热切。同期，增强运行时刻，如对磁控系统进行进一步遐想和改良，以扶助水凝胶袖珍机器东谈主的能力，使其在医疗、环境和工业等界限得到更庸碌的应用。

参考文件：

Song W, et al. Hydrogel microrobots for biomedical applications. Front Chem. 2024 May 22;12:1416314.