综述：纳米粒子增强的功能性水凝胶：从设计、表征到其在生物医学中的应用

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综述：纳米粒子增强的功能性水凝胶：从设计、表征到其在生物医学中的应用

时间：2026年1月30日

来源：European Polymer Journal

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纳米复合水凝胶通过引入纳米材料增强其力学性能与功能特性，在药物递送、组织工程和柔性电子等领域展现重要应用前景，综述系统总结了其物理/化学交联设计策略、表征方法及最新生物医学应用挑战。

曹旭东|李欣|张涛|查宝莉|李胜|姚希光|霍凤伟

中国南京工业大学（NanjingTech）柔性电子学院（未来技术），柔性电子国家重点实验室（LoFE）与先进材料研究所（IAM），南京 211816

摘要

由于具有高水分含量、柔软的质地和良好的生物相容性等吸引人的特性，水凝胶在生物医学应用中得到了广泛使用。特别是纳米复合水凝胶在包括柔性电子学在内的多个领域引起了极大的兴趣。通过将多功能纳米材料引入柔软的聚合物基质中，可以显著提高纳米复合水凝胶的物理化学和生物性能。目前，许多纳米材料，如金属和金属氧化物以及聚合物纳米颗粒，已被用于设计纳米复合水凝胶，以满足生物医学领域日益增长的需求。本文综述了纳米复合水凝胶的设计与表征，并重点介绍了其在伤口愈合、组织工程、药物递送和健康监测等生物医学应用中的最新进展。此外，还详细阐述了纳米复合水凝胶当前面临的挑战和未来的发展方向。

引言

水凝胶是由天然或合成聚合物通过物理或化学交联形成的三维聚合物网络[1]。物理交联水凝胶中的相互作用通常较弱，包括疏水作用、氢键作用、静电作用和金属配位作用。当内部或外部条件发生变化（如温度、光照、pH值等）时，这些水凝胶可以发生溶胶-凝胶转变[2]。而化学交联水凝胶（也称为永久性凝胶）则相当稳定，通常由分子间的共价键形成。其制备过程通常涉及使用可交联的单体[3]。这些水凝胶具有许多吸引人的特性，如优异的生物相容性[4]、响应性[5]、自修复能力[6]和出色的机械性能[7]，因此在生物医学[8]、生物电子学[9]、储能设备[10]、智能传感器[11]和组织工程[12]等领域得到广泛应用。表1、表2、表3、表4...

尽管水凝胶的研究取得了很大进展，但其较差的机械性能仍然限制了其多功能应用。如何优化其机械性能已成为一个重要的研究方向。为应对这些挑战，许多研究人员开发了多种新型水凝胶，如双网络水凝胶[13]、纤维素水凝胶[15]、超分子水凝胶[17]和纳米复合水凝胶[19][20]。其中，纳米复合水凝胶因其优异的机械性能和独特特性而受到了广泛关注。这些纳米复合水凝胶的一个重要特征是将纳米材料或纳米颗粒（NPs）引入水凝胶基质中。各种纳米材料，如金属纳米颗粒（金、银和铂）[21]、碳基纳米颗粒（石墨烯、碳纳米管和碳量子点）[22][23]以及聚合物纳米颗粒（胶束和聚合物囊泡）[24][25]，通过原位聚合、混合和物理掺入等方式被引入水凝胶网络[26]。与传统水凝胶相比，纳米颗粒或纳米结构的引入使纳米复合水凝胶具备了响应性和生物活性，例如光响应性[27]、磁响应性[28]、抗菌活性[29]和形状记忆[30]。这些特性使得纳米复合水凝胶可以用作药物载体，在特定刺激（如温度和pH值）下实现可控的药物释放，或者作为生物传感器来检测环境中的特定物质或生物标志物。同时，纳米颗粒的存在促进了纳米颗粒与聚合物之间的氢键、离子相互作用、主客体相互作用、范德华相互作用等多种相互作用，从而提高了水凝胶网络的稳定性并增强了其机械强度[31][32]。例如，基于超分子相互作用的动态非共价键在破坏后可以恢复，使这些纳米复合水凝胶具有自修复能力。此外，外部应力作用下聚合物链的运动可以破坏和重新排列氢键，促进纳米复合水凝胶中的能量有效释放[33][34]。

作为一种多功能材料，纳米复合水凝胶在疾病诊断与治疗、柔性电子学和环境修复等多个领域展现出巨大潜力[35]。因此，对纳米复合水凝胶的设计策略和最新研究进展进行系统综述，可以为相关研究人员提供指导，并为进一步的研究提供新的思路。本文介绍了通过物理交联和化学交联制备纳米复合水凝胶的方法，并总结了当前纳米复合水凝胶的相关性能表征（图1）。最后，详细回顾了纳米复合水凝胶在生物医学领域的最新应用和挑战，为未来的设计和开发提供了参考。

纳米复合水凝胶的设计

纳米复合水凝胶的性能从根本上取决于其内部的三维网络结构，而这种结构的构建主要由交联方法决定。基于此，其设计策略主要分为两类：物理交联和化学交联。物理交联依赖于氢键、离子相互作用、疏水相互作用等非共价作用，其本质是动态且可逆的。

纳米复合水凝胶的表征

在讨论了通过物理和化学交联策略制备的纳米复合水凝胶的多样化设计后，分散状态、网络结构以及内部纳米材料的宏观性能成为决定材料能否实现预期功能的关键（图10）。因此，系统的表征是将材料设计与最终应用联系起来的不可或缺的部分。本节主要关注...

纳米复合水凝胶的生物医学应用

由于纳米复合水凝胶综合了优异的机械性能、智能响应性和良好的生物相容性，作为新兴材料展现了令人满意的应用前景。其优势在于结构设计性强、易于加工和成型，以及能够混合不同的纳米材料以获得所需的性能。本节主要关注纳米复合水凝胶在最新应用方面的突破。

结论与展望

本文系统总结了纳米复合水凝胶的最新进展，强调了纳米材料与水凝胶基质结合的优势。这种纳米复合策略不仅提升了水凝胶的物理化学性能，还赋予了它们全新的功能特性。纳米材料在水凝胶中的作用主要体现在两个方面：作为纳米级交联剂来增强...

未引用的参考文献

[171], [172]

CRediT作者贡献声明

曹旭东：撰写——审稿与编辑，撰写——初稿。李欣：撰写——审稿与编辑，撰写——初稿。张涛：撰写——审稿与编辑，数据管理。查宝莉：撰写——审稿与编辑。李胜：撰写——审稿与编辑。姚希光：撰写——审稿与编辑，撰写——初稿，监督，项目管理，资金获取，概念构思。霍凤伟：撰写——审稿与编辑，监督，项目管理，资金支持