9月，水凝胶这一经典材料再次在Nature和Science系列顶刊中闪耀登场，展示了从“软”材料到“硬核”应用的多维度突破。作为一种高度灵活且富有潜力的材料，水凝胶不仅在生物医学领域不断刷新应用边界，还在电子器件、环境保护、神经调控等前沿领域展现出惊人的多功能性。最新的研究表明，水凝胶早已不再局限于传统的组织工程材料，而是被赋予了更广泛的应用使命，真正成为跨学科领域的“硬核”角色。
本期EFL继续为大家整理了2024年9月在Nature及Science系列顶刊上发表的7篇水凝胶前沿研究，这些研究展示了水凝胶从可注射神经调控材料，到改善蜜蜂健康的环境应用，再到基于生化传感器的运动健康监测等一系列创新进展。同时，小编结合期刊特色，简单分析了为什么此项研究发表在了相应的期刊上（小编个人意见，如有不同看法欢迎各位留言！）
文献1：《Nature Protocols》用于微生理系统的水凝胶中可灌注微通道的简便光图案化方法（2024.09.12）
主要内容：在微生理系统的研究中，水凝胶因其卓越的细胞兼容性、可渗透性和可塑性，成为重现复杂生理环境的重要材料。近年来，水凝胶中的可灌注微通道制造技术受到了广泛关注。然而，目前的技术依赖于昂贵、复杂的设备，阻碍了该领域的进一步发展。本文提出了一种基于紫外光交联的快速光图案化技术，能够在合成与天然水凝胶中创建复杂形状的可灌注微通道，大幅简化了现有流程。该研究的核心材料体系包括PEG-诺本烯（PEG-NB）与天然透明质酸诺本烯（NorHA），通过一步UV光交联技术与廉价的光掩膜，实现了高分辨率的微通道图案化。这一体系不仅操作简单、成本低廉，且可灵活适用于不同形状与尺寸的微通道构造。
该研究极大简化了复杂的微通道制造流程，展示了水凝胶在微流控领域的广泛应用潜力。其技术创新在于将光图案化引入微通道制造，降低了成本并提高了操作便捷性，为未来生物医学研究和器官芯片开发奠定了基础。该研究涉及材料科学、微流控技术和生物医学工程的交叉，符合Nature Protocols强调的多领域融合的要求。
文章来源：
https://www.nature.com/articles/s41596-024-01041-8
文献2：《Science Translational Medicine》基于皮肤界面的微流控平台实现运动时汗液生化指标动态监测（2024.09.04）
主要内容：近年来，随着可穿戴设备在生物医学领域的广泛应用，能够实时、无创监测人体生理状态的生化传感器技术受到了极大的关注。汗液作为一种可以连续收集的体液，成为了运动监测中的理想候选，但其与血液中的生化指标间的关系尚不明确。本文提出了一种基于皮肤界面的微流控平台，能够通过颜色传感技术实时分析人体运动过程中汗液中的pH值和乳酸浓度。该微流控设备的材料体系包括聚二甲基硅氧烷（PDMS）和聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET）作为设备的主体结构，集成了多种色谱传感器，能够在运动过程中连续捕获汗液并进行时间相关的化学分析。通过汗液驱动的颜色变化，该设备可以在不同身体部位（如腕部、前臂和脚踝）精确监测汗液的动态变化。
该平台提供了创新的无创监测手段，适用于运动健康和生理状态监测领域。其显著特点在于将微流控技术与皮肤界面紧密结合，解决了实时汗液分析的难题，具有广泛的应用前景。结合了材料科学、传感技术和运动医学，促进了多个学科的进步，符合Science Translational Medicine对前沿技术在医学中的应用的关注。
文章来源：
https://www.science.org/doi/10.1126/scitranslmed.ado5366
文献3：《Nature Nanotechnology》DNA微球在类器官中实现时空控制的形态素释放（2024.09.09）
主要内容：类器官是近年来兴起的体外模型，能够模拟真实组织的复杂特性，然而大多数类器官难以完全成熟并发挥功能，这主要源于其内部缺乏生化信号的有效指导。本研究通过纳米工程化的DNA微球，解决了类器官发育过程中空间和时间上生化信号传递的难题。DNA微球具有可调节的刚度，能够在类器官内实现形态素梯度的精准控制，有助于引导组织的分化和成熟。通过在小型鱼类类器官（如青鳉鱼视网膜类器官）中的应用，该研究展示了DNA微球在类器官中的集成和光触发降解的功能。材料体系的核心是通过自组装形成的DNA水凝胶微球，并在油-水乳液中进行模板化生成。其中水溶液分散在油相中，形成稳定的液滴结构，水相作为反应溶剂，而油相则通过全氟聚醚-聚乙二醇（PFPE-PEG）等表面活性剂来稳定乳液。微球的机械性能可以通过调节DNA链浓度进行调控，以匹配不同类器官的细胞刚度。
该研究提出了在类器官中进行生化信号时空控制的全新方法，展示了水凝胶在器官再生和组织工程中的重要应用，提升了类器官成熟度的可能性。纳米技术与再生医学的深度融合使得该研究具有跨学科的广泛应用潜力，这也是Nature Nanotechnology青睐此类文章的原因。
文章来源：
https://www.nature.com/articles/s41565-024-01779-y
文献4：《Nature Communications》通过调控晶核实现高含水量且强韧的结晶水凝胶（2024.09.05）
主要内容：水凝胶作为一种高含水量的软材料，在组织工程、软机器人、生物电子学等领域具有广泛应用潜力。然而，传统水凝胶由于其弱的机械性能，难以满足高负载生物材料（如软骨和韧带）的应用要求。本文提出了一种新的去质子化-络合-再质子化策略，成功调控了结晶水凝胶的晶核形成，从而实现了含水量高达80%的同时具备优异机械性能的结晶水凝胶。这种水凝胶在具备优异拉伸强度（7.4MPa）、断裂伸长率（约1350%）和断裂韧性（12.4kJ/m²）的同时，依然保持了较高的含水量，这对其在负载承受材料中的实际应用至关重要。该研究中，聚乙烯醇（PVA）是主要材料，通过去质子化形成的PVA多阴离子与金属阳离子（如钾离子）的络合作用，诱导了均匀且致密的晶核形成。随后，通过在水中再质子化，晶核逐步生长，形成了高结晶度的PVA水凝胶，显著提升了水凝胶的强度和韧性，特别适用于生物负载材料。
高含水量和机械强度之间的矛盾是水凝胶领域的老问题，而该研究成功实现了两者的平衡，打破了传统的水凝胶性能瓶颈。此外，这种去质子化-络合-再质子化策略的提出为水凝胶材料设计带来了新思路，这一技术突破进一步提升了其发表在Nature Communications上的价值。
文章来源：
https://www.nature.com/articles/s41467-024-52264-y
文献5：《Nature Communications》具有长期肠道滞留效果的三元菊粉水凝胶用于同时逆转IBD及其纤维化并发症（2024.09.28）
主要内容：炎症性肠病（IBD）及其伴随的肠道纤维化并发症，长期以来因其复杂的病理特征，成为全球医学难题。过量的活性氧氮（RONS）和肠道微生物失衡是IBD及其相关并发症的关键症状，导致肠上皮屏障受损并最终引发肠道纤维化。本研究提出了一种新型三元菊粉水凝胶（PPy/PFD@Inulin），该凝胶加载了具有抗氧化作用的聚吡咯（PPy）纳米酶和抗纤维化药物吡非尼酮（PFD），用于同时治疗IBD和肠纤维化。该水凝胶通过延长药物在肠道内的滞留时间，持续释放PPy纳米酶和PFD，从而有效减少促炎细胞因子水平，修复肠上皮屏障，并通过调节肠道菌群和抑制TGF-β/Smad信号通路阻止成纤维细胞的增殖。在本研究中，菊粉与聚吡咯纳米酶和吡非尼酮通过简单的加热冷却过程制备成水凝胶，并展现了良好的酸性稳定性和生物相容性。聚吡咯纳米酶通过其优异的活性氧清除能力，能有效调节肠道内的氧化应激反应，而吡非尼酮则通过抑制纤维化相关的TGF-β/Smad信号通路，防止纤维化的发生。此外，菊粉基质还能选择性促进有益菌的增殖，有助于恢复肠道菌群平衡，进一步增强IBD的治疗效果。
该研究针对炎症性肠病和纤维化并发症，提出了一种有效的治疗策略，具有较高的临床转化潜力。涉及材料科学、微生物学和临床医学的交叉研究，具有广泛的学术影响，契合Nature Communications对多领域突破性研究的关注。
文章来源：
https://www.nature.com/articles/s41467-024-52722-7
文献6：《Nature Sustainability》可摄取的水凝胶微粒改善蜜蜂在杀虫剂暴露后的健康（2024.09.05）
主要内容：蜜蜂作为重要的传粉者，对全球农业具有重要意义，然而近年来，蜜蜂种群的数量由于多种环境因素的影响而急剧下降。杀虫剂，尤其是新烟碱类杀虫剂，对蜜蜂健康的威胁尤为突出。本研究开发了一种可摄取的水凝胶微粒（IHM），能够在蜜蜂消化道内捕捉新烟碱类杀虫剂，以减轻其对蜜蜂健康的有害影响。该研究利用普通的东部大黄蜂（Bombus impatiens）作为模型，通过体内和体外试验，展示了这些水凝胶微粒对蜜蜂存活率、进食动机和运动能力的显著改善。水凝胶材料体系由甲基丙烯酸（MAA）和乙二醇二甲基丙烯酸酯（EGDMA）通过沉淀聚合反应制备而成。微粒的尺寸控制在5微米左右，以确保能顺利通过蜜蜂的消化道。在酸性和中性pH条件下，水凝胶微粒通过物理吸附机制有效捕捉新烟碱类杀虫剂。这种简便且可扩展的合成方法，使得这些水凝胶微粒具有应用于蜜蜂健康管理的潜力，并且在高浓度的新烟碱暴露条件下，蜜蜂的存活率提高了30%，进而为农业可持续发展提供了有效的解决方案。
蜜蜂作为关键传粉者在全球农业中的重要性毋庸置疑，该研究紧扣全球生态可持续发展的主题，具有现实意义。该研究跨越了材料科学、农业生态学和环境保护的界限，在多领域具有深远影响，符合Nature Sustainability对环境可持续性问题的关注。
文章来源：
https://www.nature.com/articles/s41893-024-01432-5
文献7：《Nature Communications》高稳定性、可注射的导电水凝胶用于慢性神经调控（2024.09.12）
主要内容：神经调控通过选择性调节周围神经来治疗顽固性疾病具有广泛的临床应用前景。然而，细小且脆弱的神经结构给神经电极的固定和稳定电耦合带来了巨大挑战。本研究开发了一种高稳定性、可注射的导电水凝胶（ICAA），通过引入多功能分子调节剂，优化了凝胶的可注射性和导电性，同时保持机械和电气的长期稳定性。该研究展示了这种水凝胶在慢性迷走神经调控中的应用潜力，特别是在心肌梗死后的治疗中，通过减少炎症反应、抑制交感神经活动、减轻心肌纤维化，从而维持心脏功能。该水凝胶材料体系的核心包括聚乙二醇（PEG）网络和多尺度导电网络，由MXene纳米片和PEDOT导电聚合物组成。通过使用单宁酸（TA）作为分子调节剂，优化了PEG网络的反应动力学，增强了导电网络的多尺度相互作用，从而实现了导电性和抗肿胀性能的平衡。该水凝胶能够通过注射形成稳定的神经接口，与神经组织紧密贴合，并在动态负载下保持良好的机械性能和生物相容性。
神经调控技术在顽固性疾病的治疗中扮演重要角色，该导电水凝胶为长效稳定的神经电极提供了全新的材料，具有重要的临床应用前景。导电性和机械稳定性的平衡不仅提升了神经电极的性能，还为未来的生物电子学和医学植入物提供了新选择。
文章来源：
https://www.nature.com/articles/s41467-024-52418-y
通过这些前沿研究，水凝胶不仅展现了其“软”材料的独特优势，也逐渐成为各个领域中的“硬核”应用支柱。从生物医学到环境保护，从柔性电子到神经调控，水凝胶技术正在不断扩展其应用边界，为未来科技带来更多可能性。可以预见，随着这些创新技术的逐步成熟，水凝胶将在多个前沿领域继续发力，为解决复杂的现实问题提供更多解决方案。
附：EFL整理的水凝胶正刊及子刊链接（按月）
前期EFL汇总了发表在NS系列上的有关生物医学领域的高质量文献，主要有：
又双叒叕是水凝胶？聚焦6-8月15篇Nature＆Science系列合集
https://mp.weixin.qq.com/s/opN0ZbqOAZPegX68uCN08g
2024年5月集锦：爆发！一个月内连发正刊，5月水凝胶Nature＆Science正刊子刊最新进展！
https://mp.weixin.qq.com/s/qJTrccngY_Hn5lFzAGdtlg
2024年3-4月集锦：水凝胶《Nature》&《Science》系列汇总，材料“老戏骨”开新花儿！
https://mp.weixin.qq.com/s/vcuDxO8OLC3QIOWDZWXZsw
2024年1-2月集锦：有已发文2500多篇，明星材料水凝胶领域2024年NS系列集锦
https://mp.weixin.qq.com/s/VLR9xggO7VdZtufwzzHIbA
2023年11-12月集锦：水凝胶领域接连突破，近期CNS系列顶刊新视野展现
https://mp.weixin.qq.com/s/LegcbfvE0IGjjrU-O1kkiw
2023年10月集锦：Nature系列期刊十月份水凝胶研究合集：老材料、新方法、新应用
https://mp.weixin.qq.com/s/H_iH-WNn72KYIaKuXejCMA
2023年1-6月集锦：水凝胶Science & Nature顶刊汇总，聚焦15篇前沿文献！
https://mp.weixin.qq.com/s/3MvMBfslXILoANaLR9xI-w
