小材料有大惊喜！利用水凝胶可制造出湿软机器人

据报道，科学家很难设计不仅在干燥陆地上操作，还能穿行潮湿滑腻人体内部的机器人，金属机器人容易遭受腐蚀，并且十分坚硬，不易于与人体接触。一些科学家认为，采用生物相容性的水凝胶制造湿软机器人能够解决这些问题，目前，来自美国北卡罗莱纳州大学的一支研究小组发现使用水凝胶制造的机器人能够紧紧地攥住物体，该技术可使柔软机器人移动起来像人造肌肉。

美国北卡罗莱纳州大学化学和生物分子工程学教授奥尔林-威勒夫(Orlin Velev)说：“目前，这种机器人技术可用于送递药物或者作为身体组织脚手架，促使细胞以三维结构生长。”研究人员将水凝胶剪成不同尺寸，例如：他们将水凝胶裁成V字结构，在另一侧注入铜离子，V字型“手臂”具有柔韧性，能够攥住一些物体，当电流通过V字型手臂另一侧，所攥物体将释放。这种聚合物分子可具有正电荷和负电荷区域，铜离子作为负电荷载体。

另一种聚合物分子附加在铜离子一侧，使得水凝胶机器人在一个区域变得坚韧。同时，研究人员还发现甚至不需要在水凝胶机器人中通电，水凝胶的运动可通过化学物质诱导。在第二项实验中，研究小组制造了一个X形状的水凝胶，另一侧放置一种加固水凝胶，当它们浸入酒精，水凝胶并未收缩，加固水凝胶使其保持原型。这导致X形状水凝胶手臂能够弯曲，攥住较小的物体，当放置在水中，非加固水凝胶膨胀，较小的物体被释放。这项实验的详细情况发表在2013年8月2日出版的《自然通讯杂志》上。

关于水凝胶

水凝胶（Hydrogel）是以水为分散介质的凝胶。具有网状交联结构的水溶性高分子中引入一部分疏水基团和亲水残基，亲水残基与水分子结合，将水分子连接在网状内部，而疏水残基遇水膨胀的交联聚合物。是一种高分子网络体系，性质柔软，能保持一定的形状，能吸收大量的水。

水凝胶是如何形成的？

凡是水溶性或亲水性的高分子，通过一定的化学交联或物理交联，都可以形成水凝胶。这些高分子按其来源可分为天然和合成两大类。天然的亲水性高分子包括多糖类（淀粉、纤维素、海藻酸、透明质酸，壳聚糖等）和多肽类（胶原、聚L-赖氨酸、聚L-谷胺酸等）。合成的亲水高分子包括聚乙烯、醇、丙烯酸及其衍生物类（聚丙烯酸，聚甲基丙烯酸，聚丙烯酰胺，聚N-聚代丙烯酰胺等）。

水凝胶的性质分类

水凝胶有各种分类方法，根据水凝胶网络键合的不同，可分为物理凝胶和化学凝胶。物理凝胶是通过物理作用力如静电作用、氢键、链的缠绕等形成的，这种凝胶是非永久性的，通过加热凝胶可转变为溶液，所以也被称为假凝胶或热可逆凝胶。许多天然高分子在常温下呈稳定的凝胶态，如k2型角叉菜胶、琼脂等；在合成聚合物中，聚乙烯醇（PVA）是一典型的例子，经过冰冻融化处理，可得到在60℃以下稳定的水凝胶。化学凝胶是由化学键交联形成的三维网络聚合物，是永久性的，又称为真凝胶。根据水凝胶大小形状的不同，有宏观凝胶与微观凝胶（微球）之分，根据形状的不同宏观凝胶又可分为柱状、多孔海绵状、纤维状、膜状、球状等，制备的微球有微米级及纳米级之分。根据水凝胶对外界刺激的响应情况可分为传统的水凝胶和环境敏感的水凝胶两大类。传统的水凝胶对环境的变化如温度或pH等的变化不敏感，而环境敏感的水凝胶是指自身能感知外界环境（如温度、pH、光、电、压力等）微小的变化或刺激，并能产生相应的物理结构和化学性质变化甚至突变的一类高分子凝胶。此类凝胶的突出特点是在对环境的响应过程中其溶胀行为有显著的变化，利用这种刺激响应特性可将其用做传感器、控释开关等，这是1985年以来研究者最感兴趣的课题之一。根据合成材料的不同，水凝胶又分为合成高分子水凝胶和天然高分子水凝胶。天然高分子由于具有更好的生物相容性、对环境的敏感性以及丰富的来源、低廉的价格，因而正在引起越来越多学者的重视。但是天然高分子材料稳定性较差，易降解。

新型水凝胶生物材料可修复膝盖软骨

据报道，美国约翰·霍普金斯大学医学院报告称，他们开发出一种新型水凝胶生物材料，在软骨修复手术中将其注入骨骼小洞，能帮助刺激病人骨髓产生干细胞，长出新的软骨。在临床试验中，新生软骨覆盖率达到86%，术后疼痛也大大减轻。

人体关节骨的两端都有一层很薄的软骨，就像覆盖在骨头上的薄膜，外伤、磨损、疾病或基因缺陷都可能伤害软骨，软骨一旦受损是不会自行生长的。微骨折术也叫关节镜软骨手术，是在缺少软骨覆盖的骨头上钻几个小洞，刺激骨髓细胞产生干细胞生成软骨。但手术未必都能成功，可能无法刺激新的软骨生长，或者新长出的软骨不如原来的坚硬。

理论上，干细胞需要附着在一种营养支架上才能更好生长。约翰·霍普金斯大学医学院转化组织工程中心（TTEC）主任珍妮弗·埃里希夫说，“水凝胶”支架在愈合过程中能为细胞提供“营养”，促进健康组织生长，加速伤口愈合。她们在实验室里和山羊身上进行了多年实验，以寻找最理想的植入材料，最终选定了一种水凝胶生物材料和一种黏合剂，黏合剂用来使水凝胶牢牢地黏在骨骼上。

研究小组随后对15位病人进行了首次临床试验，通过微骨折术在受伤软骨附近的骨骼上打出一些微小的洞，将水凝胶和黏合剂注入其中。为了对照实验，她们对另外3位病人仅实施了微骨折术。6个月后，植入物并未产生大的问题。核磁共振显示，植入凝胶的病人长出了新软骨，对膝盖骨骼的平均覆盖率达到86%，未植入凝胶的病人平均覆盖率为64%，而且在术后的6个月中，植入凝胶的病人膝盖疼痛也大幅度减轻。

“初步研究显示，植入的生物材料在患者体内和在实验室里一样表现良好，所以我们希望该方法能成为护理与促进愈合的一种常规措施。”埃里希夫说，这一成果还属于概念论证性实验，要证明水凝胶的安全有效性和临床价值，还需要更多时间和更大规模的实验。目前他们已经招募到更多病人参与进一步实验。

埃里希还说，研究小组正在开发下一代移植材料，水凝胶和黏合剂就是其中之一，二者将被整合为一种材料。此外，她们还在研究关节润滑和减少发炎的技术。