随着科学技术的不断发展，自愈材料作为一种具有自修复功能的新型材料受到了广泛关注。自愈材料能够在受损后自动修复并恢复原有的性能，为解决材料损伤和寿命问题提供了新的思路和解决方案。在自愈材料的众多类型中，自愈水凝胶以其优异的自愈能力和多样的应用领域而备受关注。

什么是自愈合水凝胶？

大家都知道，当生物受到一定轻微伤害时，可以依靠自身的内在生命力来修复肢体缺损，这种维持生命健康的能力被称为自愈力，但这种能力也只能发生在具有生命的生物体上。

而水凝胶在没有“生命”的有机材料下也具有这种自愈合的能力，受人类皮肤自愈行为和生物贻贝分泌物自愈行为的启发，研究人员开发了一系列自愈水凝胶，可以在材料破裂后自愈。这种自愈设计不仅延长了材料的使用寿命，还恢复并保持了其原始性能。

水凝胶是由亲水性聚合物构成的，其三维网状结构既可以吸收大量水分，也可以用于承载药物采用适宜材料制备的水凝胶具有生物相容度高，机械和粘弹性可控的特点。

而最早可以追溯到1894年，刚开始是用于描述一些无机盐的胶体。时过境迁，水凝胶的含义与起初已经完全不同。世界上第一个成熟的水凝胶产品Ivalon（甲醛树酯与乙烯的交联物）于1949年问世，而1960年PHEMA（聚甲基丙烯酸羟乙酯）问世将水凝胶的市场推向繁荣。

1960，WiChterle和Lim首先合成了交联的HEMA水凝胶，它的亲水特性和潜在的 生物相容性 引起 生物材料 学者的极大兴趣，使得众多的科研工作者们开展了大量致力于提高水凝胶性能的研究。在药物释放载体、眼科材料、医用敷料和美容材料等生物医药领域得到广泛应用。

自愈水凝胶的基本原理

自愈水凝胶作为一种具有自修复能力的材料，具有广泛的应用前景和重要的科学意义。其独特的自愈性质使其能够在受损后自动修复，并恢复到原有的完整状态。我将深入探讨自愈水凝胶的基本原理，包括其定义、结构组成和自愈机制。

自愈水凝胶的自愈机制可以分为多种类型，其中最常见的包括化学反应触发型、热敏型和光敏型等。化学反应触发型的自愈水凝胶通过在损伤区域发生化学反应来实现自愈。当水凝胶受损时，被破坏的交联键或化学键会自动发生反应，形成新的键，从而实现自愈修复。

热敏型的自愈水凝胶则利用温度变化来触发自愈过程。当水凝胶受到局部热源的热损伤时，局部温度升高会引发水凝胶内部的热敏反应，使得受损区域发生自愈修复。

光敏型的自愈水凝胶则利用光敏反应来实现自愈。通过在水凝胶中引入光敏物质，当受损区域暴露在特定波长的光照下时，光敏物质会发生反应，从而引发自愈修复。

除了以上几种常见的自愈机制，还有其他一些新型的自愈水凝胶机制正在被研究和开发。例如pH敏感型的自愈水凝胶，可以通过酸碱反应来触发自愈过程。还有一些基于外力敏感的自愈水凝胶，如压力敏感型和电场敏感型等，可以通过外界力的施加来实现自愈修复。

自愈水凝胶的基本原理可以通过控制材料的组成、交联程度、反应条件等因素来实现。合理设计合理设计自愈水凝胶的组成和结构对于实现其自愈性质至关重要。选择合适的聚合物作为基础材料是关键之一。

常见的聚合物包括聚丙烯酸酯、聚乙烯醇、聚酰胺等。这些聚合物具有良好的可交联性和可溶性，可以形成稳定的水凝胶结构。

水凝胶如何被赋予“生命”？

基于不同的交联机理，制备自愈合水凝胶的设计策略可分为两类：化学自愈合水凝胶和物理自愈合水凝胶

(1) 化学自愈合水凝胶通过动态共价键或可逆化学反应转化网络，通常包括硼酸盐键、动态亚胺键、酰肼键等。

(2) 物理自愈合水凝胶通过动态非共价键、氢键相互作用，疏水相互作用、主客体相互作用、金属配位键等。由于这些可逆的动态键，这些材料可以在骨折部位反复自我愈合，而无需外部刺激和愈合剂。

自愈合水凝胶有哪些用途？

1.组织工程

组织工程是指将细胞从体内分离后，经体外扩增，搭载于生物相容性良好、化学性质稳定的组织工程支架材料上，再植入体内患处的学科。在细胞培养过程中，组织工程支架材料需要为细胞的生长提供充足的养料、适宜的增殖环境，同时也要具备一定的机械强度，为细胞的体内增殖提供良好的三维结构等。水凝胶本身拥有极高的含水量，可为细胞的体内生长提供良好的营养代谢物质，同时自愈合水凝胶本身的三维立体结构能更好地与体内组织相匹配，其本身的自愈性能为细胞微创植入体内提供了可能，因此自愈合水凝胶在细胞三维培养中被广泛应用。如图6所示，体内实验表明自愈水凝胶能有效治疗烫伤，水凝胶组的烫伤伤口在14天就基本完全闭合并且基本未留下疤痕。

2. 药物输送

水凝胶作为药物载体不仅可定向运载药物分子、多肽、蛋白等，而且可作为蛋白质或酶的配合物。水凝胶内部的三维网状结构和贯通凝胶内部的孔道对于运载药物的扩散以及运载的生物活性分子具有重要意。与其他合成材料相比，水凝胶内部结构与人体组织特性最为接近，因此水凝胶在隐形眼镜、生物传感、人造皮肤和药物递送领域具有广阔的应用前景。

2.仿生皮肤

随着人工智能和软体机器人等领域的发展，模仿人体皮肤感知能力和力学性能的多功能传感器的研发和制备受到越来越多研究者的关注。在化学领域里，特定结构的高分子水凝胶就可以模拟人的触觉，因为其中的载流子就是电子，和人真实皮肤的工作原理非常接近。

4. 电子器件/传感器

可拉伸导电材料在未来各种领域的应用是不可或缺的，例如可拉伸板、柔性储能装置、电极、传感器和可穿戴装置。为了实现这些目标，关键问题是同时引入机械强度和电导率。导电水凝胶由于其优异的柔韧性，良好的电气特性和可调谐的机械性能而具有一体化潜力。迄今为止，各领域的研究人员中已经广泛研究了导电水凝胶，应用于柔性超级电容器和传感器中的导电聚合物水凝胶。如图9所示，将导电聚合物水凝胶应用于传感器中，可以监测人体的各种活动。

5、环境工程

自愈水凝胶作为一种具有自修复能力的材料，其独特的自愈性质使得它在环境污染治理、资源回收和可持续发展等方面具有重要的应用价值。

自愈水凝胶在水污染治理方面具有重要的应用。水污染是全球面临的严峻环境问题之一，有效治理水污染对于保护水资源和维护生态平衡至关重要。

自愈水凝胶可以作为一种吸附材料，通过吸附和捕获水中的有害物质，如重金属离子、有机污染物和微塑料等，实现水体的净化和污染物的去除。其自愈性质使得材料在吸附过程中受损时能够自动修复，延长了材料的使用寿命和吸附性能。

自愈水凝胶在土壤修复和地下水处理中也显示出了潜在的应用价值。土壤和地下水污染是由于工业活动、农药使用和废弃物排放等原因引起的严重问题。自愈水凝胶可以作为一种修复材料，通过吸附、降解和稳定污染物，实现土壤和地下水的修复和净化。

其自愈性质使得材料能够自动修复受损部分，增强了修复效果和持久性。此外，自愈水凝胶还可以与其他修复技术结合，如生物修复和化学修复，实现更加综合和高效的污染治理。

总体而言，自愈水凝胶作为一种具有自动修复能力的材料，在各个领域展现了巨大的潜力和应用前景。随着对自愈水凝胶的深入研究和技术的不断发展，我们可以期待它在更多领域中的创新应用，为社会的可持续发展做出重要贡献。自愈水凝胶的设计原理和应用为材料科学和相关领域的研究者提供了新的思路和方法，为未来的科学研究和工程应用带来了更广阔的可能性。

文章来源： 水凝胶科学，慧心引力佳