水凝胶是一种与我们的日常生活息息相关的材料，它可以是我们把玩的玩具（水宝宝），可以是我们贴身的敷料（退烧贴、尿不湿），甚至可以是我们餐桌上的食物（豆腐、果冻）（图1）。除此之外，在科学家们的眼中，水凝胶这种像水母一样的软软的、充满水的材料因为具有良好的生物相容性，还被认为是极佳的仿生智能材料，可以用在组织工程、仿生变形以及软体机器人等领域。因而，近年来水凝胶吸引了国内外众多学者的关注。
图1. 生活中常见的水凝胶（图片来自网络）
随着水凝胶的发展，科学家们通过不断地改性，一次次为水凝胶注入新的功能，使其变得越来越智能。现在的水凝胶已经能像花一样“开花”变形，像动物一样会走，会跳甚至会游泳（图2）。但是水凝胶脆弱易碎的问题，往往使得其在使用的过程中因局部“受伤”而失去了继续使用的价值。因此如何去修复“受伤”凝胶并且让其回复初始的功能成为了如今亟待解决的科学难题。
图2. 变形水凝胶及水凝胶软体机器人（Nat. Mater. 2016, 15, 413.；ACS Appl. Mater. Interfaces 2018, 10, 17512.; Sci. Robot. 2020, 5, eabb9822.；Sci. Robot. 2019, 4, eaax7112.）
大自然是一个无限的资源与想法的宝库，研究人员往往能通过模仿大自然得到解决问题的灵感。在自然界中，受伤是一种再常见不过的问题了，例如当壁虎遇到危险时，会自发地折断自己的尾巴以赢取逃生的机会。随后壁虎身体内的循环系统会马上向伤口运输大量的生长激素，这些生长激素会快速地刺激伤口处细胞的分裂和分化，因此不需要过太久，一条新的尾巴又能重新从壁虎的身上长出来了（图3）。正是受到壁虎断尾重生的启发，研究人员大胆地猜想，如果我们使用的水凝胶也可以像生命体一样会生长，是不是就能解决水凝胶脆弱易碎的问题了呢？
图3. 壁虎断尾重生示意图
基于以上的设想，中国科学院宁波材料技术与工程研究所智能高分子材料团队首先通过浸泡以及涂覆的方式，将水凝胶的“生长激素”（引发剂）引入水凝胶的内部，随后将水凝胶的“生长液”（预聚液）倒在水凝胶的表面。在渗透压的作用下，水凝胶中的“生长激素”会向“生长液”中扩散，并在碰到“生长液”后触发化学反应使其转变为水凝胶。如图4所示，在显微镜的实时监视下，水凝胶“生长液”随着“生长激素”的扩散逐步地变成水凝胶，初始水凝胶也随之不断地生长、变大。
图4. 水凝胶生长实时监控图
得益于这种独特且高效的水凝胶生长的方式，借助于模具，研究人员可以将含有不同染料的水凝胶“生长液”使用画笔涂覆在不同的水凝胶表面，便可得到具有各种具有丰富彩色图案的水凝胶（图5a,b）。除此之外，这种高效的方法还可适用于诸如纸、衣物、猪皮以及瓜皮等亲水的基底（图5c），这大大地拓展了该方法的普适性。
图5. a) 图案化水凝胶制备示意图 b) 不同凝胶基底生长图案化水凝胶c)不同亲水性基底生长图案化水凝胶
基于仿壁虎的水凝胶生长策略，当水凝胶出现破损甚至断裂的情况时，研究人员只需将“生长液”倒入待修补的部位，等待一段时间后，新的凝胶就能在破损的位置重新生成（图6a）。并且即使凝胶破损位置伤口不一致，修复后的凝胶也可回复到与初始一样的形状及力学性能，即使我们用外力拉扯，凝胶也可以保持一样的弹性（图6b）。
图6. a) 水凝胶修复示意图 b) 水凝胶修复实物图
如前文所述，水凝胶在使用的过程中常常会受到损伤，因此研究人员也为我们展示了这一过程。如图7所示，一个具有六臂形状的凝胶因在使用过程中其中的两臂发生了断裂而无法继续使用。此时，研究人员首先通过浸泡的方式在受伤的部位引入水凝胶的“生长激素”，而后在受伤的位置涂覆上会发蓝光的“生长液”。在等待一段时间后破损的两臂逐渐地从受伤的位置慢慢生长出来。随后，研究人员更换了具有特殊变形功能的“生长液”，并且使用同样的方法在新生长出来的两臂的表面进一步生长得到了具有变形功能的新凝胶。最后，将修复后的凝胶重新放在热水中，凝胶就能自发的站立起来并且还能缓慢地举起左右双臂。
图7. 水凝胶形状与功能的修复及其变形功能的展示
该工作实现了水凝胶高效的宏观体积生长，并借此实现了对破损凝胶的定制化修补。因此，这一成果将有望显著提升水凝胶驱动器及软体机器人的耐用性，进而为具有环境适应性的软体机器人的设计与制备提供坚实的基础。
来源：中国科学院宁波材料技术与工程研究所
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