水凝胶材料的研究现状论文

图片来源：Hokkaido University

科学研究人员利用纤维研发出了一种新型纤维增强的水凝胶材料（水凝胶是以水为分散介质的凝胶，属于高分子网络体系，性质柔软，能保持一定的形状，能吸收大量的水），据说这种材料的分子间作用力要比碳钢的强上五倍，也就是说不易断开，但是韧性也不赖，弯曲和拉伸都不是难事。

那么，同时具备这两种特性的材料又有何妙用呢？我们都知道，人工韧带和肌腱需要有极高的韧性并且不易断裂，显然，如果我们将这种水凝胶材料应用在医学治疗上，对于这些部位有问题的病人，想必也是一个福音吧！虽然目前在设计制造上仍有一定的难度，但是至少这确实是满足条件的弹性材料。

这种由日本北海道大学（Hokkaido University）的相关研究人员研发的新型水凝胶材料，又被称为纤维增强软复合材料（简称FRSC），其实是由水含量高的凝胶和玻璃纤维织物复合而成。

该项目的研究人员之一龚建平表示：“由于具有很强的可靠性、耐用性和灵活性，这个材料在各个应用方面都有着很大的发展空间。”

长期以来，人们都在不停地尝试，试图将两个具有不同特性的天然材料结合起来，从而得到我们想要的某种同时具备这两种特性的材料。比如，早期的土砖就是由稻草和泥土混合制成，后来的混凝纸浆其实也是一种复合材料——由纸和胶水混合而成。

当然，复合材料的研发宗旨就是将来自不同原材料的不同的优良性质集中体现在一种材料上。

关于这种纤维增强软复合材料的研究，相关科学研究人员迈出的第一步就是寻找一种材料，要求这种材料除了可以承受很大的负荷之外，还需要具有抗断性，而水凝胶同时具备这两种特性，当然是必选材料之一。而且，如果在水凝胶中添加些许玻璃纤维织物，那么材料就会更加耐用，同时具有很好的韧性。

该团队的相关研究人员表示，这种复合材料之所以具备惊人的强度，主要是因为玻璃纤维织物的分子和水凝胶分子之间形成动态的离子键，随着形成离子键的两种分子的电子相互交换，原子间的相互吸引力增强，在宏观上也就表现出更加突出的强度，水凝胶分子之间也有这样的作用。

在实验室里，科学研究人员发现，通过这种方法，水凝胶的韧性得以增强，与此同时，复合材料整体的韧性也有所增强。

研究人员还表示，同样的原理也可以应用到其他研究上，基于北海道大学之前的一些相关研究，利用这种方法也可以增强橡胶等软材料的韧性。

通过测定，最终的结果显示，这种复合材料的韧性比玻璃纤维织物强二十五倍，比水凝胶甚至强上一百倍。同时，强度（相当于将材料分开所需要的能量高低）也远远大于碳钢，差不多是碳钢的五倍！

在此之前，水凝胶材料被人们吹捧为治疗伤口以及制造柔软机器人的合适材料，但是，很明显，水凝胶材料的韧性缺陷限制了它的广泛使用和推广。不过现在，这种复合材料可能是个不错的选择呢！

研究人员在他们的论文中写道：“这项工作很有意义，对研究具有更好的抗断性的纤维增强软复合材料起到了一个不错的指导作用。”

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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。论文发表在2013年1月9日出版的《科学·转化医学》上。 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。 加拿大最新的研究显示，水凝胶（Hydrogel）不仅有利于干细胞（Stem cell）移植，也可加速眼睛与神经损伤的修复。研究团队指出，像果冻般的水凝胶是干细胞移植的理想介质，可以帮助干细胞在体内存活，修复损伤组织。 中国科学院兰州化学物理所研究员周峰课题组利用分子工程，设计制备出一种具有双交联网络的超高强度水凝胶，大大提高了水凝胶的机械性能。相关研究已发表于《先进材料》。 据国外媒体报道，美国加州大学圣迭戈分校的纳米科学工程师日前研发出了一种凝胶，这种凝胶中含有能够吸附细菌毒素的纳米海绵。这 种凝胶有望用于治疗抗药性金黄色葡萄球菌（methicillin-resistant Staphylococcus aureus，MRSA。这种细菌产生了对所有青霉素的抗药性，常常被称作“超级细菌”）导致的皮肤和伤口上的感染。在不使用抗生素的情况下，这种“纳米 海绵水凝胶”能够把被抗药性金黄色葡萄球菌感染的小鼠皮肤上的损伤减小到最小。这项研究日前发表在学术期刊《先进材料》（Advanced Materials）上。