这篇文章介绍了由德国亚琛工业大学的Matthias Wessling教授及其团队进行的研究，发表在《Small》期刊上。该研究聚焦于水凝胶的几何结构对其在生物医学和其他应用中的重要性，尤其是在组织工程、微机电系统和编码等领域的应用。尽管水凝胶在这些领域展现出巨大的潜力，但在制造具有微米级特征、复杂几何形状和精确孔隙率的水凝胶结构方面仍然面临挑战。
研究团队提出了一种新型的分层结构水凝胶补丁，称为水凝胶补丁，这些补丁在微米尺度上具有内部变化的区域。这些区域通过一种高通量的单步制造工艺——停流光刻（stop-flow lithography）来定义。在制造过程中，透明掩模将紫外光投射到预聚合物中，局部光聚合反应导致形成不同交联度的水凝胶区域。研究表明，这种方法不仅可以实现至少两种交联度的水凝胶区域，还可以通过调整掩模图案来实现更多的区域变化，从而影响水凝胶补丁的机械特性。
在研究过程中，作者对两种材料系统（聚乙烯醇二丙烯酸酯（PEGDA）和N-异丙基丙烯酰胺（NIPAM））进行了详细的补丁形成研究，揭示了可靠补丁形成的基本原则。通过对不同掩模参数的研究，作者发现掩模的几何特征（如点的直径和间距）对水凝胶补丁的形成有显著影响。这些补丁的尺寸和形状可以根据应用需求进行定制，展示了其在生物医学应用中的广泛潜力。
在细胞培养实验中，研究团队展示了水凝胶补丁作为细胞支架的应用，结果表明补丁的图案会影响L929小鼠成纤维细胞的生长面积。这一发现表明，分层结构水凝胶补丁不仅在机械特性上具有可调性，还能通过设计其微观结构来调控细胞行为，从而为组织工程提供了新的思路。
此外，研究中提到的Nanoscribe设备在微流控芯片的制造过程中发挥了重要作用。该设备通过两光子光刻技术制造出微流控芯片的母模，随后使用聚二甲基硅氧烷（PDMS）进行铸造，最终形成用于水凝胶补丁制造的微流控通道。这种高精度的制造技术使得研究团队能够在微米尺度上实现复杂的水凝胶结构，进一步推动了水凝胶在生物医学领域的应用。
总的来说，这项研究不仅为水凝胶的设计和制造提供了新的方法，还为其在细胞培养和组织工程中的应用奠定了基础。未来，随着对水凝胶补丁的进一步研究，预计将会在生物医学、软机器人和分离过程等领域看到更多的应用前景。通过对水凝胶的结构和功能进行精确调控，研究团队希望能够开发出更具生物相容性和功能性的材料，以满足日益增长的医疗需求。
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https://doi.org/10.1002/smll.202407311