水凝胶袖珍机器东谈主，材料千般性能优

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一、小序

连年来，袖珍机器东谈主在医学领域的发展取得了显赫进展，水凝胶袖珍机器东谈主因其独有上风备受良善。它们具有邃密的生物相容性、可调动的物理力学性能以及对生物环境的犀利感知智力，在靶向药物输送、伤口愈合、生物成像和精准手术侵犯等方面阐述着紧迫作用。

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通顺智力，举例愚弄磁场、光或超声等外部刺激进行鼓励。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通顺。

（二）时代畸形

跟着时代的畸形，接头重心转向水凝胶袖珍机器东谈主对生物环境变化的智能反馈智力，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简略凭据基质金属卵白酶-2（ MMP -2）酶浓度的变化，速即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抵制得到更正，简略在医疗场景中实施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，它不仅简略兑现肝脏化疗栓塞，还能通过X射线和磁共振成像（MRI）进行及时和术后成像。该系统辘集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，愚弄磁性导航精准靶向肿瘤供血血管，在生物体内径直应用经导管肝化疗。

三、水凝胶材料分类及本性

（一）基于开端分类

1、自然水凝胶

源自自然物资，具有出色的吸水智力和凝胶本性。举例，琼脂糖、透明质酸、海藻酸盐和壳聚糖等多糖类，以及纤维畅达卵白、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，能精准放肆化学身分和机械性能。举例，聚乙烯醇（PVA）、聚乙二醇（PEG）和聚（N-乙烯基己内酰胺）（PNVCL）等。通过改变合成时代和材料组成，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，以振作特定应用需求。

（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、离子相互作用、小分子自拼装和机械散播等多种机制变成凝胶结构。举例，透明质酸、壳聚糖等。这些水凝胶具有易得回、无需交联剂、可逆、生物相容性好且性能可调动的优点，适用于多种应用。

2、化学交联水凝胶

由团聚物链共价键合变成永远性网罗结构，被称为弗成逆凝胶。举例，乳清卵白、Kolliphor和纤维素纳米纤维等。其制备经过触及多种反应，如光团聚、酶促经过和点击化学等，确保变成坚固抓久的凝胶框架。

（三）刺激反馈性水凝胶

1、pH反馈性水凝胶

其结构和物理属性可凭据环境pH值进行致密调整。举例，与4D激光打印时代辘集的pH反馈性水凝胶，可用于拓荒简略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、温度反馈性水凝胶

对温度波动具有反馈性，在不同热条目下发扬出可逆的扩张和减轻智力。举例，壳聚糖在水中溶化后，在约32°C时从流体团聚物溶液更动为凝胶景色。基于PNIPAM的刷子也能可逆地反馈温度变化，从而可通过调动温度来放肆药物开释速率。

3、光反馈性水凝胶

简略在光强、波长或标的改变时发生凝胶化或溶化。举例，一种改性的富马酰胺应用，可使材料从液态更动为凝胶态。愚弄光手脚凝胶化的触发因素，可兑现对经过的时空调动，增强功能反馈的精度和可控性。

4、电反馈性水凝胶

不错通过垄断电场强度和标的来调动其凝胶化和溶化经过。举例，当受到电场作用时，这些水凝胶简略溶化、减轻或抨击，有用地将电能更动为机械能。这种本性使其在传感器时代、控释药物和智能材料拓荒等领域具有渊博应用。

5、化学反馈性水凝胶

对特定化学物资的存在或浓度变化明锐，会发生凝胶化或溶化反应。举例，可将葡萄糖反馈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

微流控触及在微流控芯片上的微要领通谈内垄断不相溶的流体，在通谈交叉处变成液滴，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）羼杂，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变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体式的袖珍水凝胶机器东谈主。举例，基于双光子团聚（TPP）的3D打印时代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）光刻时代

光刻时代接管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手脚构建机器东谈主肉体结构的模板，赋予机器东谈主框架天真性、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开动液体雾化的时代，借助静电力量和离子交联剂合成水凝胶微球。举例，通过调整实践参数，不错定制粒径，坐蓐出直径从几微米到数千微米的均匀水凝胶微球。在这个经过中，凝胶溶液在高压下雾化成轻微液滴，然后一刹离子化，液滴内的材料发生交联或凝胶化反应，变成固体水凝胶微球。

五、水凝胶袖珍机器东谈主的开动模式

（一）磁开动

磁开动在袖珍机器东谈主领域具有很大的应用远景，举例，愚弄磁场开动水凝胶基袖珍机器东谈主结尾实施器实施精准任务，如靶向、开释和采样等。接头还兑现了在单个均匀漂浮磁场中对多达四个柔性薄膜磁性袖珍机器东谈主的全王人平安妥协耦放肆。此外，对磁开动微群体的接头也取得了进展，如愚弄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，兑现其在血管内的指挥导航。

（二）光开动

光手脚无线供电和放肆转移袖珍栽培的常用器具，也渊博用于开动袖珍机器东谈主。举例，光催化袖珍机器东谈主愚弄外部光源和周围化学环境的能量兑现高效鼓励。光反馈性水凝胶可使袖珍机器东谈主在光的作用下实施可逆和叠加通顺，兑现无线遥控。

（三）电场开动

电场开动要领无需额外燃料源，主要愚弄直流或调换电场进行鼓励。举例，在水凝胶机器东谈主外名义建树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诱骗，提升机器东谈主对电场的性能和反馈智力。

（四）化学开动

化学开动机制主要愚弄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）温度开动

基于温度反馈性水凝胶的旨趣，将对温度明锐的材料集成到超分子纳米电机中，使其在一定温度领域内发生形态或性能变化，从而调动通顺速率。举例，一些超分子纳米电机和温度反馈性材料在精密放肆货色运输方面具有潜在应用。

（六）超声开动

超声开动愚弄超声波精准放肆和推动袖珍机器东谈主，具有非侵入性、历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。这种时代可兑现深部组织穿透，佩带并精准部署多个有用载荷，在医疗会诊、颐养输送和物流等领域具有应用后劲。

六、面对的挑战及未来发展标的

（一）挑战

1、多功能性

现在水凝胶袖珍机器东谈主需要从单一功能栽培向多功能栽培发展，举例创建集成生物监测、药物输送和颐养侵犯等多种功能的水凝胶可穿着栽培，这需要对千般功能模块进行战术野心和整合。

2、可加工性

尽管水凝胶袖珍机器东谈主的制备相对浅显，但提升制备经过的放肆和叠加性还是挑战，包括材料聘任、结构放肆和形态野心等方面，以确保机器东谈主的一致性和领悟性，振作不同应用需求。

3、环境可抓续性

水凝胶袖珍机器东谈主虽具有生物相容性和降解性，但在野心和制备经过中应进一步优先使用可再生、可生物降解材料，并减少能源破钞和废料产生，以确保其环境可抓续性。

4、可编程性

讨论到水凝胶袖珍机器东谈主的天真性和稳妥性，需要对其激活时的领悟性和精度进行放肆。这意味着要通过外部信号或放肆器对其操作进行精准放肆，并具备及时反馈机制，以稳妥不同任务需求。

5、刺激聘任性

由于水凝胶具有多种刺激反馈本性，袖珍机器东谈主需要简略分别并聘任性地反馈特定刺激，如温度、光或电场等，以兑现精准通顺、开动和靶向操作。

6、开动后果

水凝胶材料的优柔性和低密度导致能量更变后果低，鼓励后果不高，且现时的能量供应要领无法提供充足的能源，这对提升开动后果、确保充足能源以及精准放肆机器东谈主通顺组成了拦阻。

（二）未来发展标的

为了鼓励水凝胶袖珍机器东谈主的发展，需要在新材料和开动时代领域进行渊博接头。拓荒具有更好领悟性、可控性和可扩展性的新式水凝胶材料，关于兑现功能千般性和优化机器东谈主性能至关紧迫。同期，增强开动时代，如对磁控系统进行进一步接头和更正，以提升水凝胶袖珍机器东谈主的智力，使其在医疗、环境和工业等领域得到更渊博的应用。

参考文件：

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