华东师范大学张利东研究员课题组在复杂中空水凝胶纤维上取得新进展

中空水凝胶在可控输送系统、软体驱动器和生物医学支架方面具有良好的应用前景。实际应用中，往往要求中空水凝胶具有复杂的三维几何形状。传统制备中空水凝胶的方法主要是利用同轴挤出微流体装置，它可以有效地制备轴向均匀的微米级中空水凝胶纤维，但不能实现复杂几何形状的构筑。

为了解决这一科学难题，华东师范大学张利东研究员（点击查看介绍）团队提出了一种非共轴微流体方案。在该方案中，首先制备海藻酸钠水溶液，然后通过非共轴微流体装置将其注入含有CuSO₄和H₂O₂的三（羟甲基）氨基甲烷-盐酸缓冲溶液中，一系列化学反应促使中空水凝胶微纤维的形成。该过程避免了使用同轴喷嘴，因此，可以通过调节喷嘴和反应液面之间的距离来制备具有复杂几何形状的中空水凝胶微纤维，包括单螺旋和双螺旋状、项链状和梯状。

图1. 中空水凝胶微纤维制备示意图

利用此方法，该研究团队对不同形状的中空水凝胶纤维进行了详细的研究。发现喷嘴的大小会影响中空微纤维的粗细，而喷嘴的流速会对纤维的尺寸产生影响。并通过液体染料的流通实验确定了水凝胶纤维的可灌注通道结构。该项工作巧妙地利用了非同轴微流体装置，制作出了单双螺旋状、项链状和梯状的复杂形状中空水凝胶纤维，为后续生物医学的应用奠定了基础。

图2. 微观的项链状中空水凝胶。（a）项链状中空水凝胶纤维在水溶液中形成机理的示意图。（b）项链状微纤维在空气中的图像。（c）喷嘴流速对微纤维节点尺寸的影响。（d）通过液体染料和流过微纤维的水确定其可灌注的通道结构。（e）在空气中自发脱水30 min后，对中空项链状微纤维进行拉伸试验。（f）喷嘴流速对中空项链状微纤维机械性能的影响。

为了证明潜在的应用，该团队在2毫米长的中空微纤维内部负载Fe₃O₄磁性颗粒，制备了磁性响应水凝胶微型机器人。通过磁场驱动，实现了中空水凝胶机器人在水系统中的定向滚动或跳跃运动。该微型机器人具有良好的生物兼容性，并且能够在血液浓度环境中实现可控的运动，因此在清除血管阻塞方面具有巨大应用潜质。

图3. 磁控水凝胶微型机器人在液体系统中的应用。（a）微型机器人按照设计路线移动，表明具有对目标物输送的能力。（b）微机器人的跳跃表明其具有克服障碍物的能力。（c）微机器人的线性运动。（d）微机器人在毛细管内的方向可变的运动。（e）微型机器人可清理血管内的阻塞物，示意图展示其作为血管清除剂的潜在应用。（f）微型机器人在模拟血管环境中的运动，表明具有清除血管阻塞物的能力。

以上相关成果发表在Materials Horizons 上。论文的第一作者为华东师范大学化学与分子工程学院2019级直博生梁淑敏，通讯作者为张利东研究员。

原文（扫描或长按二维码，识别后直达原文页面，或点此查看原文）：

Microscopic hollow hydrogel springs, necklaces and ladders: a tubular robot as a potential vascular scavenger

Shumin Liang, Yaqing Tu, Qing Chen, Wei Jia, Wenhan Wang, Lidong Zhang

Mater. Horiz., 2019, DOI: 10.1039/C9MH00793H

导师介绍

张利东

https://www.x-mol.com/university/faculty/44750