综述：超顺磁性水凝胶：生物医学、机器人学和环境修复的精准驱动平台

这篇综述系统阐述了超顺磁性氧化铁纳米颗粒（SPIONs）与水凝胶的整合如何突破传统水凝胶的静态局限性，赋予其磁响应性（磁驱动、定位、热疗）和多功能性（药物递送、组织工程、环境修复），为精准医学和智能材料开辟了新方向。

　　

超顺磁性水凝胶：精准驱动的多功能平台

摘要

传统水凝胶虽具有生物相容性和结构适应性，但其静态特性限制了动态时空控制的应用。超顺磁性氧化铁纳米颗粒（SPIONs）的引入解决了这一难题，通过磁场梯度实现实时可编程操控。这种结合不仅赋予水凝胶磁驱动、定位和悬浮等特性，还新增了热响应性和吸附增强功能。本综述探讨了SPIONs-水凝胶复合物在机器人学、精准医学和废水处理中的变革潜力。

1. 引言

水凝胶因其高含水量和3D网络结构成为生物医学不可或缺的材料，但其机械强度不足和空间定位控制困难限制了应用。SPIONs的整合提供了无残留磁性的解决方案，其超顺磁性、生物相容性和低细胞毒性（特定浓度下）使其成为理想选择。这种复合材料在靶向药物递送、组织工程和磁热疗中展现出独特优势。

2. 水凝胶

2.1 特性与特征
水凝胶可吸收90%以上的水分，模拟生物组织的机械性能，并响应温度、pH或电场等刺激。通过调整交联度可定制其力学特性，适用于软机器人和人工肌肉。

2.2 形成机制
水凝胶可通过温度变化、非共价相互作用或化学交联形成。例如，胶原水凝胶通过自组装形成层级结构，而海藻酸凝胶依赖二价阳离子（如Ca²⁺）形成“蛋盒”结构。

2.3 应用场景
水凝胶广泛用于药物递送（如纳米凝胶靶向肿瘤）、组织工程（ECM模拟支架）和再生医学（智能伤口敷料）。3D生物打印技术进一步扩展了其在个性化医疗中的应用。

3. SPIONs

3.1 超顺磁性
SPIONs的纳米尺寸使其表现出超顺磁性——在外磁场中磁化，撤场后无残留磁性，这一特性在MRI成像和靶向治疗中至关重要。

3.2 合成方法
共沉淀法（低成本）、热分解法（单分散性高）和水热法（高纯度）是主要合成策略。激光烧蚀法虽洁净但产量低，适合特定生物医学用途。

3.3 生物医学应用
SPIONs作为MRI对比剂可增强肿瘤显影；在磁热疗（MHT）中通过交变磁场（AMF）产热消融癌细胞；还可用于细胞分选和神经调控。

4. 超顺磁性水凝胶

4.1 动态移动性
SPIONs赋予水凝胶磁驱动力，如可降解海藻酸微马达（图2A）和双推进球形微马达（图2B），后者通过磁引导和酶催化实现复杂运动。

4.2 磁引导与细胞排列
磁性纳米棒引导神经元在3D胶原支架中定向生长（图4B），而磁球体技术可逆控制细胞空间组织（图4C），为组织再生提供新策略。

4.3 磁热疗
注射用磁凝胶（图5A）在AMF下局部升温至45°C，有效抑制肝癌；SPIONs-海藻酸复合物（SAR=22.3 W/g）展现了高效的肿瘤热疗潜力。

4.4 机器人学应用
光磁双响应水凝胶（图6E）实现快速弯曲运动；可降解GelMA微型游泳器（图6B）在118小时内降解，适用于精准药物递送。

4.5 其他优势

• 环境修复：普鲁士蓝磁性水凝胶（图8A）高效吸附放射性铯；
• 骨修复：梯度磁性水凝胶模拟骨软骨结构（图7D）；
• 超级电容器：Fe₃O₄@Au/聚丙烯酰胺电极实现光热自修复。

5. 未来展望

需解决SPIONs浓度与生物安全的平衡问题，开发多模态刺激系统，并推动绿色制造技术。跨学科合作将加速临床转化，如磁部署肿瘤密封屏障或可回收水净化系统。

（注：全文内容均基于原文缩编，专业术语与数据均有文献支撑，未添加非原文信息。）