水凝膠纖維在生物體內廣泛存在，如肌肉、神經和結締組織等，這些組織具有運輸物質和傳遞能量的功能，對維持生命活動至關重要。因此，開發具有類似生物功能的水凝膠纖維對于生物醫學應用具有重要意義。同時，水凝膠纖維的高含水量和多孔結構使其在能源存儲（如超級電容器、電池）和環境治理（如水處理、污染物吸附）方面也具有獨特的優勢。盡管已有大量研究致力于水凝膠纖維的開發，但如何設計和合成具有特定結構和功能的水凝膠纖維仍然是一個挑戰。這包括選擇合適的原材料、控制纖維的微觀結構（如交聯網絡、孔隙結構）以及實現宏觀結構的多樣化（如空心結構、核殼結構等）。此外，水凝膠纖維的性能（如機械強度、電導率、光學性能等）需要進一步優化，以滿足不同應用場景的需求。例如，提高水凝膠纖維的機械強度和韌性，使其能夠更好地模擬生物組織的力學性能。目前大多數水凝膠纖維的制備方法難以實現大規模連續生產，這限制了其在實際應用中的推廣。因此，開發高效、連續的制備技術是實現水凝膠纖維工業化應用的關鍵。

東華大學朱美芳院士 、 侯愷 團隊 通過系統回顧水凝膠纖維的研究進展，為未來的研究提供指導，推動水凝膠纖維在多個領域的應用和發展。 相關內容以“ A Review of Hydrogel Fiber: Design, Synthesis, Applications, and Futures ”為題發表在《Chemical Reviews》上。

【主要內容】

1. 水凝膠纖維的定義與特性

水凝膠纖維是一種結合了水凝膠材料的柔軟性、濕潤性、生物相容性和環境響應性，以及纖維材料的高長徑比、各向異性和柔韌性的材料。這種材料因其獨特的結構和功能特性，在生物醫學、能源、環境科學等領域具有廣泛的應用潛力。

圖1 水凝膠纖維在過去幾十年的發展歷程

2. 水凝膠纖維的材料組成

作者詳細討論了水凝膠纖維的常見材料，包括天然聚合物（如海藻酸鈉、殼聚糖、纖維素等）、合成聚合物（如聚乙烯醇、聚N-異丙基丙烯酰胺等）、單體/ 寡 聚物以及納米顆粒。這些材料的選擇對水凝膠纖維的性能和功能有重要影響。

圖2 水凝膠纖維制備中常見材料的選擇原則

3. 水凝膠纖維的結構設計

作者強調了水凝膠纖維的結構設計對其性能和功能的重要性。結構設計包括微觀結構（如交聯網絡、孔隙結構）、 介 觀結構（如多網絡結構、取向結構）和宏觀結構（如空心結構、核殼結構等）。

圖3 水凝膠纖維的結構設計原則

4.水凝膠纖維的制備技術

作者討論了水凝膠纖維的多種制備技術，包括濕法紡絲、微流體紡絲、動態聚合紡絲、3D打印等。這些技術各有優缺點，適用于不同的應用場景。

圖4 基于纖維形成過程中凝膠化過程的水凝膠纖維制備策略

5. 水凝膠纖維的應用

作者詳細討論了水凝膠纖維在多個領域的應用，包括生物醫學（如組織工程、藥物遞送）、能源（如超級電容器、電池）、環境（如水處理、污染物吸附）等。這些應用展示了水凝膠纖維的多功能性和廣泛的應用前景。

圖5 基于響應性的水凝膠纖維在傳感和驅動方面的應用

6. 水凝膠纖維的未來發展方向

作者指出，盡管水凝膠纖維在材料設計、結構設計和功能構建方面取得了顯著進展，但仍面臨一些挑戰。未來的研究將更加注重水凝膠纖維的多功能集成、生物相容性與可降解性、智能化與動態響應等方向。這些研究方向將推動水凝膠纖維在更多領域的應用和發展。

圖6 水凝膠纖維在組織工程中的應用

【全文總結】

作者通過對水凝膠纖維的材料組成、結構設計、制備技術、功能構建和應用前景的全面分析，展示了水凝膠纖維在多個領域的巨大應用潛力。這些內容通過文中的多張關鍵圖片得到了生動的展示，為讀者提供了清晰的理解和參考。

https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.chemrev.5c00159

來源：高分子科學前沿

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