水凝胶袖珍机器东谈主，材料各种性能优
发布日期：2024-11-17 14:30 点击次数：181
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一、小序
比年来，袖珍机器东谈主在医学规模的发展取得了显赫进展，水凝胶袖珍机器东谈主因其特有上风备受温雅。它们具有雅致的生物相容性、可调遣的物理力学性能以及对生物环境的猛烈感知才调，在靶向药物运输、伤口愈合、生物成像和精准手术搅扰等方面阐扬着蹙迫作用。
二、水凝胶袖珍机器东谈主的发展历程
（一）早期发展
水凝胶袖珍机器东谈主的早期发展侧重于赋予其基本的畅通才调，举例欺诈磁场、光或超声等外部刺激进行股东。举例，药物封装的聚（乳酸-共-酒精酸）（PLGA）磁性微球可在外部磁场的调制下进行旋转和线性畅通。
（二）技能跳跃
跟着技能的跳跃，遐想要点转向水凝胶袖珍机器东谈主对生物环境变化的智能反应才调，如pH值波动、温度变化以及对特定生物分子的识别。举例，一种可生物降解的水凝胶基袖珍游动器粗略说明基质金属卵白酶-2（ MMP -2）酶浓度的变化，马上扩张其里面水凝胶网罗，从而开释封装的药物。
（三）进一步发展
水凝胶袖珍机器东谈主不休得到校阅，粗略在医疗场景中实行更复杂和精准的任务。如一种多功能医疗袖珍机器东谈主系统，它不仅粗略摒弃肝脏化疗栓塞，还能通过X射线和磁共振成像（MRI）进行及时和术后成像。该系统皆集了带有水凝胶包裹的多孔结构和磁性纳米粒子的袖珍机器东谈主，欺诈磁性导航精准靶向肿瘤供血血管，在生物体内胜仗应用经导管肝化疗。
三、水凝胶材料分类及秉性
（一）基于开首分类
1、自然水凝胶
源自自然物资，具有出色的吸水才协调凝胶秉性。举例，琼脂糖、透明质酸、海藻酸盐和壳聚糖等多糖类，以及纤维流畅卵白、丝胶卵白、胶原卵白和明胶等卵白质类。这些自然水凝胶以其优异的生物相容性和生物降解性而著称。
2、合成水凝胶
由合成团员物制成，能精准死心化学因素和机械性能。举例，聚乙烯醇（PVA）、聚乙二醇（PEG）和聚（N-乙烯基己内酰胺）（PNVCL）等。通过改换合成技能和材料组成，不错邃密调整这些合成水凝胶材料的物理化学和功能属性，以得志特定应用需求。
（二）基于制备行为分类
1、物理交联水凝胶
通过物理（氢键）键合、结晶、离子互相作用、小分子自拼装和机械散布等多种机制造成凝胶结构。举例，透明质酸、壳聚糖等。这些水凝胶具有易获得、无需交联剂、可逆、生物相容性好且性能可调遣的优点，适用于多种应用。
2、化学交联水凝胶
由团员物链共价键合造成长久性网罗结构，被称为不能逆凝胶。举例，乳清卵白、Kolliphor和纤维素纳米纤维等。其制备进程触及多种反应，如光团员、酶促进程和点击化学等，确保造成坚固合手久的凝胶框架。
（三）刺激反应性水凝胶
1、pH反应性水凝胶
其结构和物理属性可说明环境pH值进行邃密调整。举例，与4D激光打印技能皆集的pH反应性水凝胶，可用于设备粗略在精准位置进行靶向药物运输的磁性袖珍机器东谈主。此外，还应用于多功能微针传感贴片，用于视觉监测伤口pH值。
2、温度反应性水凝胶
对温度波动具有反应性，在不同热要求下阐扬出可逆的推广和减弱才调。举例，壳聚糖在水中熔化后，在约32°C时从流体团员物溶液转换为凝胶气象。基于PNIPAM的刷子也能可逆地反应温度变化，从而可通过调遣温度来死心药物开释速率。
3、光反应性水凝胶
粗略在光强、波长或标的改换时发生凝胶化或熔化。举例，一种改性的富马酰胺应用，可使材料从液态转换为凝胶态。欺诈光当作凝胶化的触发因素，可摒弃对进程的时空调遣，增强功能反应的精度和可控性。
4、电反应性水凝胶
不错通过垄断电场强度和标的来调遣其凝胶化和熔化进程。举例，当受到电场作用时，这些水凝胶粗略熔化、减弱或鬈曲，灵验地将电能转换为机械能。这种秉性使其在传感器技能、控释药物和智能材料设备等规模具有正常应用。
5、化学反应性水凝胶
对特定化学物资的存在或浓度变化敏锐，会发生凝胶化或熔化反应。举例，可将葡萄糖反应元件整合到胰岛素或胰岛素运输系统中，促进生物活性开释，在控释药物等生物医学应用中具有潜在价值。
四、水凝胶袖珍机器东谈主的制备行为
（一）微流控行为
微流控触及在微流控芯片上的微圭臬通谈内垄断不相溶的流体，在通谈交叉处造成液滴，随后将这些液滴交联产生水凝胶微球。
（二）乳化行为
乳化是将不相溶的液体（如水和油）羼杂，通过搅动产生可交联的水凝胶液滴。举例，通过在壳聚糖和聚丙烯酰胺接枝瓜尔胶之间造成互穿团员物网罗来制造水凝胶微球，体现了乳化行为在合成复杂水凝胶结构方面的多功能性。
（三）3D打印
用于制造具有邃密加工结构和复杂几何体式的袖珍水凝胶机器东谈主。举例，基于双光子团员（TPP）的3D打印技能可用于纳米级精度制造三维螺旋结构，赋予明胶甲基丙烯酸酯（GelMA）水凝胶机器东谈主精准界说的属性和功能。
（四）光刻技能
光刻技能收受具有微米或纳米级分辨率的光掩模来制造邃密结构。举例，聚二甲基硅氧烷（PDMS）、聚氨酯（PU）和聚酰亚胺等材料可当作构建机器东谈主肉体结构的模板，赋予机器东谈主框架活泼性、可定制性和耐用性。
（五）电喷雾电离
电喷雾电离（ESI）是一种通过电位能源力运转液体雾化的技能，借助静电力量和离子交联剂合成水凝胶微球。举例，通过调整实践参数，不错定制粒径，出产出直径从几微米到数千微米的均匀水凝胶微球。在这个进程中，凝胶溶液在高压下雾化成微弱液滴，然后骤然离子化，液滴内的材料发生交联或凝胶化反应，造成固体水凝胶微球。
五、水凝胶袖珍机器东谈主的运转样子
（一）磁运转
磁运转在袖珍机器东谈主规模具有很大的应用远景，举例，欺诈磁场运转水凝胶基袖珍机器东谈主终局实行器实行精准任务，如靶向、开释和采样等。遐想还摒弃了在单个均匀回荡磁场中对多达四个柔性薄膜磁性袖珍机器东谈主的统统落寞妥协耦死心。此外，对磁运转微群体的遐想也取得了进展，如欺诈激光散射对比成像及时追踪血管内的磁性纳米机器东谈主群体，摒弃其在血管内的教教养航。
（二）光运转
光当作无线供电和死心移动袖珍建立的常用用具，也正常用于运转袖珍机器东谈主。举例，光催化袖珍机器东谈主欺诈外部光源和周围化学环境的能量摒弃高效股东。光反应性水凝胶可使袖珍机器东谈主在光的作用下实行可逆和重迭畅通，摒弃无线遥控。
（三）电场运转
电场运转行为无需异常燃料源，主要欺诈直流或疏浚电场进行股东。举例，在水凝胶机器东谈主外名义建立由金属纳米粒子组成的褶皱纳米膜电极，通过毛细管力拼装并由溶剂化迷惑，造就机器东谈主对电场的性能和反应才调。
（四）化学运转
化学运转机制主要欺诈化学反应产生的局部浓度梯度、电位梯度以及气泡来推动袖珍机器东谈主在流体环境中导航。
（五）温度运转
基于温度反应性水凝胶的旨趣，将对温度敏锐的材料集成到超分子纳米电机中，使其在一定温度范围内发生步地或性能变化，从而调遣畅通速率。举例，一些超分子纳米电机和温度反应性材料在精密死心货品运载方面具有潜在应用。
（六）超声运转
超声运转欺诈超声波精准死心和推动袖珍机器东谈主，具有非侵入性、长久性和生物相容性好的秉性。举例，一种包含基于明胶的水凝胶基质的袖珍炮机器东谈主，该基质中镶嵌了全氟碳乳液和纳米枪弹，通过超声激活拼装。这种技能可摒弃深部组织穿透，佩带并精准部署多个灵验载荷，在医疗会诊、调整运输和物流等规模具有应用后劲。
六、濒临的挑战及改日发展标的
（一）挑战
1、多功能性
现在水凝胶袖珍机器东谈主需要从单一功能建立向多功能建立发展，举例创建集成生物监测、药物运输和调整搅扰等多种功能的水凝胶可穿着建立，这需要对各种功能模块进行计策遐想和整合。
2、可加工性
尽管水凝胶袖珍机器东谈主的制备相对浅易，但造就制备进程的死心和重迭性还是挑战，包括材料聘请、结构死心和步地遐想等方面，以确保机器东谈主的一致性和知晓性，得志不同应用需求。
3、环境可合手续性
水凝胶袖珍机器东谈主虽具有生物相容性和降解性，但在遐想和制备进程中应进一步优先使用可再生、可生物降解材料，并减少能源蓦地和废料产生，以确保其环境可合手续性。
4、可编程性
洽商到水凝胶袖珍机器东谈主的活泼性和安妥性，需要对其激活时的知晓性和精度进行死心。这意味着要通过外部信号或死心器对其操作进行精准死心，并具备及时反馈机制，以安妥不同任务需求。
5、刺激聘请性
由于水凝胶具有多种刺激反应秉性，袖珍机器东谈主需要粗略分辨并聘请性地反应特定刺激，如温度、光或电场等，以摒弃精准畅通、运转和靶向操作。
6、运转效果
水凝胶材料的柔嫩性和低密度导致能量转念效果低，股东效果不高，且现时的能量供应行为无法提供豪阔的能源，这对造就运转效果、确保豪阔能源以及精准死心机器东谈主畅通组成了碎裂。
（二）改日发展标的
为了股东水凝胶袖珍机器东谈主的发展，需要在新材料和运转技能规模进行正常遐想。设备具有更好知晓性、可控性和可扩展性的新式水凝胶材料，关于摒弃功能各种性和优化机器东谈主性能至关蹙迫。同期，增强运转技能，如对磁控系统进行进一步遐想和校阅，以造就水凝胶袖珍机器东谈主的才调，使其在医疗、环境和工业等规模得到更正常的应用。
参考文件：
Song W, et al. Hydrogel microrobots for biomedical applications. Front Chem. 2024 May 22;12:1416314.