引言：水凝胶，作为一类由交联聚合物网络构成的亲水性材料，因其独特的物理化学性质，在过去几十年里吸引了众多研究者的极大兴趣。其中，水凝胶的粘性——即其在接触界面上表现出的黏附能力和内部分子间相互作用的粘滞性，成为了跨学科研究的关键焦点。不同于传统的固体材料，水凝胶的粘性不仅源于分子间的氢键、范德华力或静电相互作用，而且与其三维网络结构的弹性和流体动力学特性密切相关。

水凝胶粘性的可控性和多功能性为各种应用场景开辟了广阔的前景。在生物医学领域，粘性水凝胶被广泛用于伤口敷料、组织工程、药物传递系统，以及微创手术器械的涂层。在环境科学中，粘性水凝胶可用于水处理，如污染物吸附和油水分离，显示了其在生态修复方面的潜力。此外，电子学和机器人学领域也受益于水凝胶的粘性特性，例如，可拉伸的导电水凝胶作为柔性电子元件，以及具有触觉感知功能的软体机器人皮肤。

 

然而，水凝胶粘性的实现和调控面临着诸多挑战，包括如何在复杂环境中维持其稳定性，以及如何设计具有智能响应性和生物相容性的新型水凝胶材料。本文旨在回顾近年来水凝胶粘性领域的研究进展，探讨其背后的科学原理，分析现有技术的局限性，并提出未来发展的可能性和方向。通过深入理解水凝胶粘性的本质，我们有望开发出更高效、更智能的水凝胶材料，以应对当前和未来的科技与社会需求。为此撰写此文，旨在，为君未来研发提供点滴参考。

 

第一部分：水凝胶粘性应用的研究进展

 

主要集中在以下几个方面：

 

设计策略与应用领域：近年来，粘性水凝胶的设计策略主要包括结构仿生、材料仿生和原理仿生。这些策略在可穿戴传感器、生物医用材料、执行器机器人和吸附分离等领域得到了广泛应用[2]。例如，通过引入温敏性组分和粘性组分，可以制备出具有多功能性的水凝胶，如温度与力学双重响应性的结构色水凝胶和自修复特性的水凝胶超级电容器[4]。

界面粘结机理与摩擦特性：水凝胶的粘结行为和摩擦特性受到界面作用力的影响。通过设计软材料的高分子结构和研究其界面作用机理，可以实现强力粘结和水基润滑[3]。此外，水凝胶的摩擦特性也受到时间效应及多种因素的影响，如剪切速度、法向载荷和溶液pH等[3]。

强韧化、结构化及功能化：为了提高水凝胶的力学性能和应用范围，研究人员开发了多种强韧化、结构化及功能化的水凝胶。例如，双网络（DN）水凝胶通过引入不同的能量耗散机制来提高其力学性能[12]。此外，通过3D打印技术制备的PIC水凝胶展示了优异的自回复和修复性，以及可调节的离子键强度[12]。

生物医学应用：水凝胶在生物医学领域的应用主要包括组织工程支架、伤口敷料和药物递送系统等。生物黏合水凝胶因其良好的黏合强度和优异的生物相容性而备受关注[11]。此外，基于天然高分子材料的PIC水凝胶不仅具有优异的力学性能，还具有显著的抗菌效果，有望在生物医学领域得到更广泛的应用[12]。

 

环境友好型水凝胶：随着对环境保护意识的增强，开发环境友好型水凝胶成为研究的热点。例如，水基胶粘剂的研究与应用进展表明，发展高品质、高性能、功能化、特种化的环保型绿色胶粘剂是胶粘剂行业发展的必然趋势[20]。

总之，水凝胶粘性应用的研究进展涵盖了设计策略、界面粘结机理、强韧化与功能化、生物医学应用以及环境友好型等多个方面。未来的研究将继续探索新的设计原则和制备方法，以进一步拓展水凝胶在各个领域的应用潜力。

 

第二部分：水凝胶在可穿戴传感器领域的最新应用进展

 

水凝胶在可穿戴传感器领域的最新应用研究进展主要集中在以下几个方面：

水凝胶的水阻性和生物相容性的提升：为了克服传统水凝胶在水下环境中的应用限制，研究人员致力于开发具有更好水阻性的导电水凝胶。这些水凝胶能够在水下环境中保持结构稳定性和良好的传感性能，为水下活动的安全和效率提供了重要支持[23]。

水凝胶的开发：通过改变导电填料、交联方式或功能性添加剂，水凝胶可以实现独特的性能和多样化的功能，以适应不同的应用需求。例如，基于超吸收水凝胶的可穿戴应变传感器能够实时监测汗液量，而粘性可自愈的可穿戴水凝胶比色贴片则能按需监测汗液标志物[26]。

高灵敏度和机械强度的水凝胶传感器：通过使用碳量子点等纳米材料增强水凝胶的导电性和机械性能，研究人员成功制备了具有高灵敏度和足够机械强度的水凝胶传感器。这些传感器在人体运动检测和人机界面等方面展现出广阔的应用前景[28]。

自修复和自粘附能力的增强：为了提高水凝胶传感器的耐用性和用户体验，研究人员开发了具有自修复和自粘附能力的水凝胶。这些水凝胶不仅能够有效延长使用寿命，还能在各种材料上表现出可重复的自粘合性能，从而提高了与皮肤等界面的贴合性[30]。

抗冻保湿性能的提升：针对传统水凝胶在极端温度条件下的应用限制，研究人员通过甘油溶剂置换策略提高了水凝胶的抗冻保湿性能。这种改进使得水凝胶能够在低温环境下保持良好的柔韧性和导电性，为远程监测人体生命活动提供了新的思路[32]。

水凝胶在可穿戴传感器领域的最新应用研究进展主要体现在其水阻性、生物相容性的提升，以及多功能性、高灵敏度、机械强度、自修复和自粘附能力的增强等方面。

 

第三部分：水凝胶结构对其界面粘结性能的影响

 

要通过设计软材料的高分子结构来改善水凝胶的界面粘结行为和摩擦特性，可以采取以下几种策略：

 

引入微结构作为弹性耗能器：根据[33]的研究，通过在水凝胶的粘结界面引入柱状阵列微结构，可以显著提高水凝胶的粘结能。这种微结构在未脱离前能够承受大的变形，而在脱离时释放储存的弹性能量，从而大幅提高粘结能。此外，通过调整微结构的高度和宽度，可以进一步优化其对粘结能的提升效果。

利用温度敏感性聚合物调节界面性质：如[34]所示，聚(N-异丙基丙烯酰胺) (PNIPAM) 微凝胶在空气/水界面组装时，其固态到液态的转变与体积相变温度相关联，这一特性可以用来调控覆盖在泡沫上的气泡的渗透性以及泡沫的排水、稳定性和可发泡性。这种材料的使用可以在微观层面上调控水凝胶的界面性质，从而改善其摩擦特性和粘结行为。

 

采用生物启发的设计：[36]中提到的仿生微纤维结构与粘弹性终端薄膜的结合，展示了通过模仿自然界中的压力敏感粘合剂来增强粘结力和调节裂纹传播的能力。这种设计可以通过在水凝胶表面引入类似的微纤维结构和粘弹性层来实现。[72]探讨了自然贻贝及其启发材料中显著湿粘附的基本相互作用机制，介绍了如何利用贻贝启发构建块的相互作用来工程化水凝胶。

 

由于贻贝是比较出名的一种粘附机制，在此概述了自2007年提出到2019年期间的研究情况。在2007年，Lee和Messersmith发表了关于“Mussel-inspired PDA”的研究论文；在2013年，Duan等人发表了关于“PDA/GO hydrogel for water purification”的研究论文；在2014年，Cho等人发表了关于“Mussel-inspired tissue adhesive”的研究论文；在2015年，Wang等人发表了关于“Tannic acid based shape memory hydrogel”的研究论文；在2016年，Xu等人发表了关于“Dopamine-triggered polymerization”的研究论文；在2017年，Lu等人发表了关于“PDA antifreezing/antieating hydrogel”的研究论文；在2018年，Han等人发表了关于“Transparent PDA-based hydrogel sensor”的研究论文；在2019年，Park等人发表了关于“Mussel-inspired light-responsive electronic skin”的研究论文。

利用超分子相互作用调控表面润湿性：[38]中描述的双刺激响应表面，通过简单地在硅基底上制造聚(N-异丙基丙烯酰胺-共-亚丁基环己烯)共聚物薄膜，实现了在温度和β-环糊精浓度变化下的亲疏水切换。这种表面可以通过在水凝胶表面引入类似的超分子系统来调控其界面性质，从而改善其摩擦特性和粘结行为。

电响应超分子润滑水凝胶：[42]中介绍的电响应超分子润滑水凝胶，通过在共价网络中引入电响应非共价超分子体系，实现了在电场作用下水凝胶表面产生润滑层，从而调控水凝胶表面的润滑性能。这种方法不仅可以改善水凝胶的摩擦特性，还可以通过电场调控其在油环境中的浸润性。

 

第四部分：双网络水凝胶结构对其界面粘结性能的影响

 

双网络（DN）水凝胶的能量耗散机制主要依赖于其独特的两层网络结构，这种结构由一个硬而脆的第一网络和一个软而韧的第二网络组成。第一网络在变形过程中通过断裂来耗散能量，从而增韧整个水凝胶[48]。当第一网络为具有重建能力的物理网络时，双网络水凝胶表现出优异的抗软化和机械稳定性[48]。

具体来说，DN水凝胶的设计允许在不同应力条件下通过不同的网络层进行能量耗散。在低应变下，第一网络作为牺牲相，通过解离离子交联键来耗散能量，而第二网络和第三网络则共同作为弹性基质相[47]。在高应变下，第二网络作为能量耗散相（此时离子交联键已被破坏），而第三网络则继续发挥弹性基质的作用[47]。这种设计使得DN水凝胶在保持高水含量的同时，还能展现出出色的强度、延展性和断裂韧性[46]。

此外，DN水凝胶的力学性能也受到其有效网孔大小的影响。与单网络水凝胶相比，DN水凝胶的有效网孔大小更小，这有助于提高其应力-应变曲线中的突然增加的应力，尤其是在达到约100%应变时[43]。这种突然增加的应力是由于PEO在DN中达到完全拉伸状态，对应于PEO单网络中的260%应变，而在超过这一点后，键的拉伸和角度弯曲显著增加[43]。

总结来说，DN水凝胶的能量耗散机制是通过其双网络结构实现的，其中第一网络在低应变下耗散能量，而第二网络在高应变下承担能量耗散的角色。

 

第五部分：基于天然高分子的水凝胶在生物医药领域的应用

 

基于天然高分子材料的PIC水凝胶在生物医药zh中的应用案例主要包括以下几个方面：

 

药物缓释和靶向传输：天然高分子材料如纤维素、壳聚糖、蛋白质等被广泛用于制备具有特定交联机制的水凝胶，这些水凝胶能够实现药物的缓释和靶向传输。例如，通过物理或化学方法改性的淀粉、海藻酸钠等亲水性天然高分子可以作为药物载体，实现对药物释放的精确控制[54]。

细胞外基质：天然高分子水凝胶因其良好的生物相容性和生物活性，被用作细胞培养基，支持细胞的生长和分化。例如，DNA-PNIPAAm水凝胶不仅具有良好的温度敏感性能，还能通过简单的化学反应修饰DNA链，保持其生物特异性，为细胞提供一个理想的生长环境[57]。

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组织修复支架：天然高分子水凝胶在组织工程中作为支架材料，能够促进组织的再生和修复。例如，通过修饰糖原并将其与胶原蛋白和羟基磷灰石结合形成的复合水凝胶，不仅具有适宜的机械性能，还能支持骨髓来源的间充质干细胞向成骨细胞或软骨细胞的分化[59]。

 

伤口敷料：天然高分子材料如胶原蛋白、海藻酸盐、甲壳素等被用于制备伤口敷料，这些敷料具有良好的生物相容性和生物降解性，能够有效促进伤口的愈合。例如，将单宁酸接枝于明胶上形成的可注射复合水凝胶，不仅具有良好的粘合能力和生物降解性，还能促进成纤维细胞的增殖与迁移，有效提高伤口的愈合率[58][59]。

 

环境响应型水凝胶：基于天然高分子材料的环境响应型水凝胶，如对ATP有响应能力的水凝胶，能够在特定环境下（如ATP的存在）发生形态变化或功能改变，从而实现对生物过程的调控。这类水凝胶的研究为生物医学领域提供了新的工具和方法[61]。

 

第六部分：水凝胶应用面临的挑战

 

开发水凝胶的关键技术和挑战主要包括以下几个方面：

 

材料的选择与合成：选择合适的生物相容性好、易生物降解的材料是关键。例如，纤维素及其衍生物因其良好的生物相容性和环境友好性被广泛应用于药物控释、组织修复等领域[63]。此外，使用可再生资源如生物质作为原料，以及通过绿色化学方法进行合成，也是实现环境友好型水凝胶的重要途径。

智能响应性的设计与优化：智能水凝胶能够对外界环境因素（如温度、pH值、电场等）的变化产生显著的体积或其他特性的变化[62][64][70]。因此，如何设计和优化这些智能响应性，以满足特定应用的需求，是一个重要的研究方向。例如，通过构建具有不同结构的高强度智能水凝胶，如超低交联结构水凝胶、纳米颗粒复合水凝胶、拓扑结构水凝胶以及双网络结构水凝胶，可以提高其力学性能和环境刺激响应能力[62]。

快速响应特性的实现：在某些应用中，如化学传感器、药物控释载体等，需要水凝胶具有快速响应特性[67]。因此，如何提高智能水凝胶的响应速率，同时保持其稳定性和可逆性，是另一个重要的挑战。

 

环境可持续性的考虑：随着对环境保护意识的增强，如何使水凝胶的生产过程更加环保，减少对环境的影响，成为了一个不可忽视的问题。例如，利用微生物产生的生物表面活性剂（biosurfactants），不仅具有低毒性和高活性，而且是可生物降解的，有助于环境污染物的清理和环境保护[66]。

应用领域的拓展：虽然环境友好型水凝胶在多个领域已显示出巨大的应用潜力，但如何进一步拓展其应用范围，特别是在新型材料、能源、医疗等领域的应用，仍然是一个长期的挑战[71]。

 

结束语：随着对生物体微环境理解和模拟的深入，未来的水凝胶将更精确地模拟人体组织的物理和化学特性。这将促进新型药物递送系统、组织工程支架以及生物粘合剂的发展，为个性化医疗和再生医学提供更先进的工具。特别是，智能响应性水凝胶将能够在体内特定条件下激活，实现精准治疗。结合物联网（IoT）和人工智能（AI），智能水凝胶将在环境监测、健康监护和智能家居等领域扮演核心角色。具有实时响应和数据传输能力的水凝胶传感器将为远程监控和即时决策提供支持，推动智慧城市和智慧医疗的建设。

 

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