1 河北工业大学材料科学与工程学院，天津 300131
2 华南理工大学材料科学与工程学院，广州 510641
近年来，基于明胶和微纳米生物活性玻璃(MNBG)的复合水凝胶被广泛用于组织再生领域，然而MNBG对水凝胶矿化和降解性能的调控规律尚不明确。通过制备不同MNBG含量的明胶基复合水凝胶，探究了MNBG含量对复合水凝胶体外矿化及降解性能的影响。结果表明：复合水凝胶体系不影响MNBG的生物活性离子释放，而表层高含量MNBG团聚体形成负曲率接触界面则是复合水凝胶发生体外矿化的必要条件；此外，提高MNBG的含量和快速矿化形成羟基磷灰石层均能够有效降低明胶基复合水凝胶的降解速率。
微纳米生物活性玻璃 复合水凝胶 体外矿化 降解 micro-nano bioactive glass composite hydrogel in vitro mineralization degradation
1 中国科学院理化技术研究所仿生材料与界面科学重点实验室，有机纳米光子学实验室，北京 100190
2 中国科学院大学，北京 101407
双光子聚合加工技术是基于双光子吸收效应的一种新型的微纳制造技术，已被广泛应用于微纳光子学、微机电系统、组织工程等领域。采用双光子聚合加工技术制备的3D水凝胶微结构形貌可控，而且具有高精度、适当的刚度以及良好的生物相容性等优势，可以更好地在体外模拟体内微环境，因而在生物医学领域展现出了巨大的应用潜力。本文简要介绍了双光子聚合加工技术的原理，综述了水溶性光引发剂的研究进展，着重介绍了双光子聚合加工技术制备水凝胶的研究现状及其在仿生学、生物医学等领域的应用。
材料 双光子聚合 水凝胶 生物相容性 微结构 细胞支架 组织工程 中国激光
2023, 50(21): 2107401
1 南京邮电大学电子与光学工程学院，柔性电子（未来技术）学院，江苏 南京 210023
2 东南大学电子科学与工程学院，江苏 南京 210096
提出一种外泌体检测新方法，通过将表面增强拉曼散射（SERS）纳米探针固定在核酸适体（DNA）功能化水凝胶中，实现对肿瘤源性外泌体的高灵敏度光学检测。SERS纳米探针被用于识别肿瘤源性外泌体并产生指纹光学信号。SERS活性DNA功能化水凝胶（简称“SD水凝胶”）作为传感器，不仅提供了用于生物识别的三维反应位点，而且可放大SERS纳米探针的光学信号。选择性地与靶外泌体结合后，SERS纳米探针脱离SD水凝胶，导致SERS信号减弱，从而实现光学检测。通过SERS信号变化，SD水凝胶可以定量、灵敏地检测肿瘤源性外泌体，浓度检测限（LOD）约为22 μL-1。该SD水凝胶将为临床癌症诊断提供一种新的技术手段。
生物光学 表面增强拉曼散射光谱技术 光学检测 外泌体 纳米探针 水凝胶 光学学报
2023, 43(21): 2117001
1 中国科学院长春光学精密机械与物理研究所，吉林 长春 133033
2 中国科学院大学，北京 100049
3 温州医科大学眼视光学院，浙江 温州 325000
MicroRNA（miRNA）是癌症等重大疾病检测过程中一类非常重要的标志物。定量实时聚合酶链式反应由于逆转录限制主要存在扩增偏差大的问题，Northern印迹杂交存在灵敏度低的不足，下一代测序和单分子阵列技术兼有检测限低及灵敏度高的优势。然而，扩增偏差大或缺乏简化的工作流程不利于即时点对点医疗诊断、治疗以及预后。基于此，提出一种基于单分子检测原理的miRNA检测方法。首先，依据泊松分布，利用三明治夹心结构形成复合物，链霉亲和素-poly-HRP与酪胺-Alexa Fluor 488分子通过催化沉积的方式生成并放大信号；然后，运用纤维蛋白水凝胶而非微流控芯片固定复合物；最后，进行单分子计数处理，通过样点寻址、样点筛选、图像重合及信息提取等4个步骤识别并统计阳性点个数，从而实现miRNA超灵敏定量检测。以人类miR-21为检测对象，检测下限是6 fmol/L。该方法在体外诊断检测miRNA方面有较好的潜在应用价值。
医学光学与生物技术 miR-21 纤维蛋白水凝胶 数字分析 光学检测 光学学报
2023, 43(13): 1317001
1 南京邮电大学电子与光学工程学院、微电子学院，江苏 南京 210023
2 南京邮电大学射频集成与微组装技术国家地方联合工程实验室，江苏 南京 210023
光热微执行器广泛应用于光学微机电系统和微机器人。利用功能染料的窄带吸波特性制作可控制性强、位移大的波导式激发光热U型微执行器，并仿真了该执行器的温度和位移变化。制作了单臂长度和半径分别为5.8 mm和200 μm的窄波段响应光热微执行器。实验结果表明，本方案制作的执行器具有位移响应大、能量利用率高、生产成本低以及集成度高的优势。在功率为100 mW激光的驱动下，该执行器自由端能在紫光（408 nm）或红光（638 nm）波段实现100~160 μm的位移，远大于非对应波段光束产生的位移（20 μm）。
激光光学 光热微执行器 窄带吸收特性 悬浮打印 水凝胶 激光与光电子学进展
2023, 60(1): 0114005
1 1.上海理工大学, 材料与化学学院, 上海 200093
2 2.中国科学院 上海硅酸盐研究所 高性能陶瓷与超微结构国家重点实验室, 上海 200050
为了清除皮肤肿瘤手术切除后的残余肿瘤细胞并促进皮肤伤口愈合, 开发一种具有肿瘤治疗和促进皮肤伤口愈合功能的水凝胶具有重要意义。本研究以水合硅酸钙纳米线为基体材料, 以NaCl和KCl为熔盐介质, CuSO4•5H2O为铜源, 采用熔盐法制备了含铜硅酸钙(Cu-CS)纳米棒, 并将其复合到海藻酸钠水凝胶得到Cu-CS纳米棒复合水凝胶(Cu-CS/SA)。实验结果表明, 随着铜盐添加量增大和熔盐处理温度升高, Cu-CS纳米棒的Cu含量逐渐上升, 但其催化过氧化氢(H2O2)生成羟基自由基(•OH)的性能呈现先升高后下降的趋势; 在3%铜盐添加量和熔盐处理温度700 ℃条件下所制备的3Cu-CS纳米棒具有最佳的催化性能, Cu元素均匀地分布在纳米棒表面, 其价态为+2价, 且Cu元素的含量极低, 仅为0.61%。细胞实验发现Cu-CS纳米棒含量不超过20%的复合水凝胶具有良好的生物相容性, 并且Cu- CS/SA水凝胶在模拟肿瘤微环境条件下能催化H2O2生成高细胞毒性的•OH, 进而实现化学动力学治疗肿瘤的效果, 同时还能促进血管内皮细胞和成纤维细胞的增殖和迁移。因此, Cu-CS纳米棒复合水凝胶有望用于皮肤肿瘤术后治疗。
熔盐法 含铜硅酸钙纳米棒 水凝胶 化学动力学治疗 皮肤伤口愈合 molten salt method copper-incorporated calcium silicate nanorods hydrogel chemodynamic therapy skin wound healing
1 1.上海交通大学 金属基复合材料国家重点实验室, 上海 200240
2 2.上海绘兰材料科技有限公司, 上海 201507
3 3.上海交通大学 化学化工学院, 上海 200240
石墨相氮化碳(g-C3N4)具有独特的二维平面结构和半导体能带结构, 广泛应用于光催化。但其又存在光生电子空穴对复合过快、可见光利用效率低、在水中分散性差等问题, 阻碍了其实际应用。本研究以海藻酸钠制备的水凝胶为基体, 通过与负载银纳米颗粒(AgNPs)的g-C3N4复合, 提升光生电子-空穴的分离效率, 同时解决催化剂在水中的分散性问题, 改善其光催化性能。首先, 采用热聚合法合成g-C3N4, 结合超声的高能量使其剥离成纳米片; 然后采用溶液法在g-C3N4表面原位生成银纳米颗粒, 制备得到负载银纳米颗粒的g-C3N4(Ag@C3N4); 最后以海藻酸钠(SA)为前驱体通过钙离子交联的方法得到负载有Ag@C3N4的水凝胶(SA/Ag@C3N4)。通过不同手段表征SA/Ag@C3N4的形貌、微观结构和相组成; 以甲基橙为模型物, SA/Ag@C3N4的光催化降解速率是Ag@C3N4的2.5倍。通过光致发光谱、时间分辨光致发光谱、电子顺磁共振波谱等表征手段对材料的催化机理进行探究。结果显示, 体系中银纳米颗粒表面等离子体共振效应与海藻酸钠水凝胶的多孔结构及传质通道发挥协同效应, 促进了光催化性能的提升。
氮化碳 银纳米颗粒 海藻酸钠 水凝胶 光催化 carbon nitride silver nanoparticles sodium alginate hydrogel photocatalysis
1 内蒙古师范大学 化学与环境科学学院, 内蒙古 呼和浩特 010022
2 内蒙古大学 化学化工学院, 内蒙古精细有机合成重点实验室, 内蒙古 呼和浩特 010021
刺激响应水凝胶可以对环境的微小变化产生较大的物理化学变化, 在药物传递、生物分离、生物传感器和组织工程等领域具有广泛的应用。但受聚集导致荧光猝灭(ACQ)效应的影响, 其在发光相关领域的应用受到限制, 聚集诱导发光(AIE)概念的提出解决了这一难题。将AIE分子引入水凝胶体系, 获得刺激响应型AIE水凝胶, 在生物医学、信息防伪、3D水凝胶驱动器以及软体机器人的开发等多个高科技领域崭露头角。本文将近年来报道的刺激响应型AIE水凝胶按刺激因素分为物理因素(温度和光)、化学因素(pH、溶剂和离子)和生物因素(酶)三大类, 分别阐述了水凝胶的制备、响应机理及潜在应用, 并针对刺激响应型AIE水凝胶面临的问题和挑战进行了展望。
刺激响应型水凝胶 聚集诱导发光 信息防伪 软体机器人 药物传递 stimuli-responsive hydrogels aggregation-induced emission information anti-counterfeiting soft robots drug delivery
1 武汉理工大学硅酸盐建筑材料国家重点实验室, 武汉 430070
2 武汉理工大学材料科学与工程学院, 武汉 430070
为了延长混凝土的使用寿命, 发展了一种2,6-二［N-(羧乙基羰基)氨基］吡啶(DAP)超分子水凝胶驱动自修复水泥基材料和诱导羟基磷灰石自修复技术。DAP超分子水凝胶通过负载NH4H2PO4, 在碱性条件下实现修复剂的智能化响应释放。将负载修复剂的DAP超分子水凝胶和中空玻璃管复合制备自修复构件, 并开展了裂缝修复和护筋性能试验。结果表明: 经过28 d的修复, 0.592 mm宽的裂缝表面被修复, 修复产物为羟基磷灰石; 加入修复构件后, 能够减缓钢筋锈蚀。在裂缝处, 自修复成分释放后生成的修复产物使得裂缝的底部被填堵, 阻隔了有害离子和气体的入侵通道。
水泥 裂缝 自修复 羟基磷灰石 超分子水凝胶 钢筋锈蚀 cement crack self-healing hydroxyapatite supramolecular hydrogel rebar corrosion
