水凝胶纤维在生物体内广泛存在
，如肌肉、神经和结缔组织等
，这些组织具有运输物质和传递能量的功能
，对维持生命活动至关重要。因此
，开发具有类似生物功能的水凝胶纤维对于生物医学应用具有重要意义。同时
，水凝胶纤维的高含水量和多孔结构使其在能源存储（如超级电容器、电池）和环境治理（如水处理、污染物吸附）方面也具有独特的优势。尽管已有大量研究致力于水凝胶纤维的开发
，但如何设计和合成具有特定结构和功能的水凝胶纤维仍然是一个挑战。这包括选择合适的原材料、控制纤维的微观结构（如交联网络、孔隙结构）以及实现宏观结构的多样化（如空心结构、核壳结构等）。此外
，水凝胶纤维的性能（如机械强度、电导率、光学性能等）需要进一步优化
，以满足不同应用场景的需求。例如
，提高水凝胶纤维的机械强度和韧性
，使其能够更好地模拟生物组织的力学性能。目前大多数水凝胶纤维的制备方法难以实现大规模连续生产
，这限制了其在实际应用中的推广。因此
，开发高效、连续的制备技术是实现水凝胶纤维工业化应用的关键。

东华大学朱美芳院士、侯恺团队通过系统回顾水凝胶纤维的研究进展
，为未来的研究提供指导
，推动水凝胶纤维在多个领域的应用和发展。相关内容以“A Review of Hydrogel Fiber: Design, Synthesis, Applications, and Futures”为题发表在《Chemical Reviews》上。

水凝胶纤维的定义与特性

水凝胶纤维是一种结合了水凝胶材料的柔软性、湿润性、生物相容性和环境响应性
，以及纤维材料的高长径比、各向异性和柔韧性的材料。这种材料因其独特的结构和功能特性
，在生物医学、能源、环境科学等领域具有广泛的应用潜力。

图1 水凝胶纤维在过去几十年的发展历程

水凝胶纤维的材料组成

作者详细讨论了水凝胶纤维的常见材料
，包括天然聚合物（如海藻酸钠、壳聚糖、纤维素等）、合成聚合物（如聚乙烯醇、聚N-异丙基丙烯酰胺等）、单体/寡聚物以及纳米颗粒。这些材料的选择对水凝胶纤维的性能和功能有重要影响。

图2 水凝胶纤维制备中常见材料的选择原则

水凝胶纤维的结构设计

作者强调了水凝胶纤维的结构设计对其性能和功能的重要性。结构设计包括微观结构（如交联网络、孔隙结构）、介观结构（如多网络结构、取向结构）和宏观结构（如空心结构、核壳结构等）。

图3 水凝胶纤维的结构设计原则

水凝胶纤维的制备技术

作者讨论了水凝胶纤维的多种制备技术
，包括湿法纺丝、微流体纺丝、动态聚合纺丝、3D打印等。这些技术各有优缺点
，适用于不同的应用场景。

图4 基于纤维形成过程中凝胶化过程的水凝胶纤维制备策略

水凝胶纤维的应用

作者详细讨论了水凝胶纤维在多个领域的应用
，包括生物医学（如组织工程、药物递送）、能源（如超级电容器、电池）、环境（如水处理、污染物吸附）等。这些应用展示了水凝胶纤维的多功能性和广泛的应用前景。

图5 基于响应性的水凝胶纤维在传感和驱动方面的应用

水凝胶纤维的未来发展方向

作者指出
，尽管水凝胶纤维在材料设计、结构设计和功能构建方面取得了显著进展
，但仍面临一些挑战。未来的研究将更加注重水凝胶纤维的多功能集成、生物相容性与可降解性、智能化与动态响应等方向。这些研究方向将推动水凝胶纤维在更多领域的应用和发展。

图6 水凝胶纤维在组织工程中的应用

来源：高分子科学前沿