2.1   水凝胶在组织工程及运动损伤领域的重要事件   见图3。



2.2   水凝胶材料的基本特性与分类   水凝胶是一类由亲水性聚合物链嵌入富水环境形成的3D网络，具有广泛可调的物理和化学性质[18-20]，在生物医学、环境工程及运动医学中具有广泛的应用前景。水凝胶因独特的物理、化学特性，如高水合性、生物相容性、自愈合能力和可调性等[21-25]，成为新型运动装备和治疗材料的核心成分。
2.2.1   水凝胶的基本特性   与其他生物材料相比，水凝胶的最大特点是能够吸收并保持大量水分，通常水分含量高达90%以上，这种高水合性赋予了水凝胶独特的柔软性和弹性，使其可以更真实地模拟生物体组织，在创伤治疗、软组织修复等方面表现出优异的效果[26]。但仅有高水合性并不足以满足水凝胶在生物医学和运动损伤等领域的广泛应用需求，生物相容性和生物降解性这2个特性同样至关重要[27]。在运动损伤领域，水凝胶通常需要直接与人体皮肤或软组织接触，甚至用于创伤护理、康复治疗等场合，因此，水凝胶的生物相容性是它能否广泛应用的关键因素之一。
在运动损伤领域，除了考虑以上特性外，水凝胶还需要承受复杂的力学环境，例如剧烈的运动冲击、高频率的重复压力及长时间的机械负载等，这要求水凝胶具备一定的抗压强度、耐疲劳性及抗剪切和拉伸的力学性能[28]。同时，水凝胶材料需要通过自身的柔韧性分散和吸收冲击力，减少关节、肌肉和骨骼所受的直接冲击力[29]。力学性能对水凝胶与生物系统的交互也有直接影响，用于组织修复的水凝胶需要与目标组织(如软骨或肌腱)在力学性能上匹配，以避免过硬或过软对生物组织造成应力集中或摩擦损伤[30]。温控水凝胶通过材料的动态硬度变化来管理运动员的体温或分散热量[31]。柔性水凝胶导电材料需要保持良好的力学性能，以确保在运动时不因变形导致信号传输中断[21]。自愈合水凝胶需要在受到机械损伤后迅速恢复力学性能，使其在运动损伤领域得到安全、持久地应用[32]。
2.2.2   水凝胶的分类   水凝胶可以根据交联方式、来源、响应特性等不同角度进行划分，使用不同的标准可以获得不同的结果(表1)。根据交联方式可将水凝胶划分为物理交联水凝胶和化学交联水凝胶，根据来源可分为天然水凝胶和合成水凝胶，根据响应特性可分为传统水凝胶和智能水凝胶[33]。
传统水凝胶已被应用于运动损伤领域，常见的传统水凝胶材料如聚乙二醇、聚甲基丙烯酸甲酯、聚丙烯酸等，主要用于创伤敷料、运动护具和冷敷材料[15]，这些水凝胶材料具有良好的保湿性和缓冲能力，在一定程度上能缓解运动中的冲击力和伤口疼痛。然而，传统水凝胶在应用中也存在诸多局限性：无法随外界环境(如温度或pH值)变化而改变其性能，这意味着在不同强度运动条件下水凝胶的缓冲效果或形变能力可能无法适应运动的需求[34]。传统水凝胶通常呈现固定形态，难以根据身体部位的复杂形状进行调整，例如，在修复骨缺损或贴合不规则关节部位时，传统水凝胶往往难以满足精准填充需求。传统水凝胶中含有大量的合成高分子材料，制备过程复杂且能耗较高；此外，由于不可降解的特性，部分材料可能对人体环境造成长期影响[35]。
智能水凝胶又称刺激响应型或环境敏感型水凝胶，与传统水凝胶相比在运动损伤领域的应用潜力更为广泛。智能水凝胶对外界环境的变化极为敏感，能根据不同刺激(物理、化学、生物刺激)迅速做出反应：①物理刺激：智能水凝胶可通过温度、电场、光照等刺激调整其物理形态[36]。温控水凝胶可嵌入运动服装中，根据人体的体温变化自动吸热或放热，帮助调节体温，提升舒适度[37]。②化学刺激：智能水凝胶能对pH值、离子浓度或乳酸水平的变化作出响应，用于检测运动疲劳或肌肉酸痛。嵌入传感器的智能水凝胶护具可以实时监测运动员汗液中的化学成分，提供运动状态反馈[36]。③生物刺激：在运动损伤治疗中，智能水凝胶可以对酶等生物刺激做出反应。通过载入修复因子或药物，当局部组织释放特定酶时，水凝胶能够智能释放药物，加速创面愈合[38]。
目前，智能水凝胶已被广泛应用于运动装备、健康监测和伤后修复等领域[36-38]。尽管智能水凝胶在各个领域展现出巨大潜力，但仍然存在一些局限性，例如，很多智能水凝胶在长时间使用过程中可能因受到外部冲击、划伤或穿刺而损坏，从而失去其原有的功能。为了应对智能水凝胶在使用过程中可能发生的损伤，近年来自愈水凝胶作为一种新兴材料应运而生。自愈水凝胶不仅具有智能水凝胶的响应特性，还能在发生物理损伤后启动自我修复机制，在运动损伤领域具有更为广泛的应用潜力[39]。
一些自愈水凝胶通过内部化学键的自发重组，在没有外部刺激的情况下便能自动恢复组织结构和功能。与此不同，另一些自愈水凝胶则需要外部触发因素，如pH值、光照或温度等环境变化来激活其自愈过程[40]。在化学键方面，可逆化学键(如Diels-Alder反应[41]、二硫键[42]、酰基腙键或亚胺键[43-44])常用于实现自愈功能。另外，物理非共价相互作用也能有效参与自愈机制，例如氢键[45]、疏水性相互作用[46]、π-π堆叠[47]。这些不同类型的可逆相互作用，使得自愈水凝胶材料能够在各种环境条件下实现快速且高效的修复。
触发式修复水凝胶需要外部环境因素(如温度、pH值、光照等)来激活其修复过程。根据刺激类型的不同，这些水凝胶能够根据外部环境的变化调整其结构并进行修复。温度敏感型水凝胶在特定温度下发生相变，能够使受损的区域通过网络重新聚集，恢复其机械性能[46]。类似地，pH值敏感的水凝胶(如基于酰基腙键的水凝胶)可以通过酸碱值的变化促进自愈反应，恢复原状。某些水凝胶材料能响应紫外线或可见光，通过光照改变其化学结构，激活自愈反应。光照刺激可以促进水凝胶中化学键的重组，或者诱导其膨胀或收缩，进而修复受损部位[47]。
依赖外部刺激的触发式水凝胶可以根据环境的变化(温度、pH值等)进行高效修复，增强运动装备的耐用性和运动康复的效果。水凝胶材料在运动损伤领域具有广泛的应用前景，尤其是在运动保护、伤后修复及装备耐用性提升等方面。




2.3   水凝胶在柔性传感器和可穿戴设备中的应用   随着对运动生理监测、运动表现提升和健康管理需求的日益增加，柔性传感器和可穿戴设备逐渐成为运动科技领域的重要组成部分，这些设备需要具有高度的舒适性、耐用性和精确度，同时能够适应高强度训练和比赛中的极端条件[48-50]。水凝胶材料凭借其优异的生物相容性、柔性、导电性、力学特性和自愈能力已成为一种理想的候选材料，被广泛应用于运动装备、健康监测和运动员表现提升等方面[51]。
2.3.1   水凝胶在柔性传感器中的应用   水凝胶材料的柔性、透明性和导电性使它成为开发可穿戴传感器(如运动传感器、肌电传感器、压力传感器和温度传感器等)的理想选择。柔性传感器可以贴附在皮肤上或运动装备的表面，实时监测运动员的生理数据，如肌肉活动、体温、压力、加速度等信息，从而为运动训练提供反馈，优化运动表现[48]。
HUANG等[52]开发了一种一体式水凝胶传感器TG2P3，具有出色的自愈能力和环境适应性，TG2P3在常温下显示出高达87%的自愈效率，并且在低温环境下(如-20 ℃)依然保持理想的25.7%的自愈效率。TG2P3水凝胶在运动损伤领域展示了广泛的应用前景，尤其是在运动生理监测传感器、柔性运动装备、智能运动鞋垫、发热指示器等方面，它能够实时监测体温、步态和肌肉状态，优化运动表现，减少运动伤害[53]。
2.3.2   水凝胶在可穿戴设备中的应用   随着人工智能技术的快速发展，智能可穿戴电子设备在多个领域，尤其是在体育科学中展现出了巨大的应用潜力。电子皮肤作为一种关键的传感器技术正迅速崭露头角[54]。电子皮肤是一种可穿戴的柔性电子传感器，能够高效地捕捉人体的运动和生理信号，被广泛应用于运动监测、医疗健康和虚拟现实等领域。近年来随着传感技术的不断发展，基于不同机电传感原理，如压阻性、压电性和摩擦电性，研究人员已经开发出了多种新型电子皮肤[55]。尤基于摩擦电纳米发电机的电子皮肤，凭借其将机械能转化为电能的能力，不仅为设备提供了自供电功能，还能够极大地提高设备的便携性和独立性[56]。电子皮肤可以有效地在人体皮肤表面感知运动产生的微小压力变化，将其转化为电信号，从而实现实时的运动数据采集，通过这种方式不仅能获取实时反馈，改善动作技巧，还能监控运动中的潜在健康问题——过度疲劳或运动损伤[57-58]。然而，由于剧烈运动过程中产生的汗水、体温变化和运动产生的摩擦力，电子皮肤可能面临透气性差、抗菌性不足等问题[55]，如果材料选择不当可能会导致皮肤不适，甚至引发皮肤炎症或过敏反应，影响运动表现。因此，在设计和研发电子皮肤时，如何保证在提供高弹性和柔韧性的同时，还能具备良好的透气性、抗菌性和稳定的工作性能，是一个亟待解决的技术难题。另外，电子皮肤的长期佩戴可能对皮肤造成负担，因此，水凝胶材料的生物兼容性和舒适性必须得到充分重视。
水凝胶优异的生物相容性、柔性、导电性、力学特性和自愈能力，使其成为运动健康监测、运动装备及康复训练中的重要组成部分。通过不断优化水凝胶的材料性能和制造工艺，未来可以进一步提升水凝胶的智能化和舒适性，提供更精准、更高效的训练和健康管理支持。




2.4   水凝胶在预防运动损伤和增强运动表现中的应用   由于独特的物理化学特性，水凝胶不仅在运动损伤修复中展现出巨大潜力，还能够通过提供支持性环境、调节压力和温度等方式有效增强运动表现。
2.4.1   预防运动损伤   水凝胶通过提供额外的支持和保护能够有效预防运动损伤的发生[59]。水凝胶具有良好的弹性和可调节的机械性能，这使得它们能够在高冲击的运动中提供缓冲保护[60]。例如，水凝胶可以被设计成护具或运动鞋垫的部分，帮助减轻膝盖、踝关节和其他关节在剧烈运动中的冲击力，这种缓冲作用有效减少了关节和软组织的受伤风险，尤其是在高强度的运动项目中。水凝胶具有高水合性，能够在皮肤表面形成湿润环境，因此，常被应用于局部冷却和热敷治疗[61]。通过调节水凝胶的温度响应特性，可以在运动前后通过冷敷或热敷来帮助预防运动损伤，冷敷有助于减少肌肉疲劳和缓解运动中的急性损伤，热敷则有助于放松肌肉、促进血液循环、避免肌肉拉伤。水凝胶可用于设计运动员穿戴的保护性支架或矫形器，帮助预防运动中对韧带、关节和软骨的过度拉伸和损伤。在跑步或踢球时，水凝胶可以作为膝部或脚踝护具的一部分提供额外的支撑，减少关节受力过度导致的损伤[55-58]。
2.4.2   增强运动表现   水凝胶不仅在运动损伤预防中发挥作用，还能通过多种机制提升运动表现。水凝胶的高水合性使其能够保持大量的水分，从而为身体提供持续的水合作用[27]。运动员可以通过携带含水凝胶的饮料袋来保持适当的水合作用，避免因脱水导致的运动表现下降。水凝胶携载生物活性分子(如生长因子或药物)后在运动过程中可释放生物活性分子，促进肌肉的修复和再生，减少运动前后的肌肉紧张和僵硬[62]。温度敏感水凝胶具有调节体表温度的能力，在高强度运动过程中可以帮助调节体温，避免过热或过冷对运动表现产生不利影响[63]。温度响应性水凝胶能够在运动过程中自动降温，避免运动员出现过热现象，从而延缓疲劳的出现。结合水凝胶的智能特性可以与柔性电子技术结合，应用于实时健康监测[48]。水凝胶基传感器能够感知运动员的体温、心率、肌肉压力等生理参数，将数据实时反馈给运动员或教练，通过这种方式运动员可以实时调整运动强度和恢复计划，从而提高训练效果并减少过度训练带来的风险[51-55]。




2.5   水凝胶材料在运动损伤领域中的应用不足及解决方案   
2.5.1   力学性能不足及解决方案   水凝胶的最大优势是高水合性和柔韧性，但这一特性也带来了一定的力学性能问题，尤其在运动损伤修复和运动设备应用中水凝胶的力学性能(如弹性模量、拉伸强度和抗压强度)较弱，可能无法承受长期的高强度运动负荷。水凝胶在高应力环境下容易变形或破裂，尤其是在剧烈运动时。部分水凝胶材料的弹性模量较低，导致其无法有效支持关节或韧带等重要部位的承载力[64]。
通过将水凝胶与其他材料(如纳米材料[65]、天然高分子[66]、金属有机框架等[67])结合形成复合材料，可以显著提高水凝胶的力学性能。纳米填料(如碳纳米管、石墨烯)可以增强水凝胶的力学强度和耐久性，同时保持其柔性和可拉伸性[65]。设计具有不同物理性能的梯度水凝胶，以适应不同部位的不同需求，这种设计能够提高水凝胶在运动损伤修复中的应用效果，尤其是在软组织修复和支持
中[68]。
2.5.2   生产成本较高及解决方案   水凝胶的生产成本较高，尤其是高性能水凝胶的制造过程复杂、原材料较贵，导致水凝胶在大规模应用中的成本难以控制。目前，生产高性能水凝胶所需的原材料和加工工艺比较复杂，尤其是在一些高功能化(如智能响应、抗菌等)的水凝胶材料中制造成本较高，同时水凝胶的生产需要严格的工艺控制，这使得其大规模生产变得困难。
可以开发新的低成本、高性能的水凝胶原材料来减少生产成本。利用废弃物或低成本天然资源(如海藻、明胶、纤维素等)作为水凝胶的原料，可以大幅降低成本，同时保持其生物相容性和性能[34-36]。采用更高效、节能的生产工艺，例如溶液浇铸法、冷冻干燥法等，可以降低生产成本并提高生产效率。通过发展自动化生产线也能减少人工成本、提高生产效率。通过模块化和标准化的设计简化生产流程、降低制造难度，使水凝胶在规模化生产中更加经济[40-50]。
未来，需要通过复合材料设计、绿色生产工艺、使用生态友好材料及优化降解特性，使水凝胶更广泛地应用于运动损伤领域，并为运动健康管理和损伤修复提供更有效的解决方案。

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运动损伤的预防、治疗及运动表现提升，已成为运动领域的重要议题[1-3]。传统的运动医学疗法，如冰敷、按摩、物理治疗等，虽然在一定程度上可以减轻损伤后的不适和加速恢复，但面临诸如治疗效果有限、恢复周期长、使用过程中不方便等问题[4]。因此，寻求新型、高效的治疗方法和材料是当前运动医学领域的迫切需求。
水凝胶作为一种新型的高分子材料，近年来在生物医学领域得到了广泛应用[5]。水凝胶由水和高分子聚合物交联形成，具有极高的水合性、柔软的结构和良好的生物相容性[6]，不仅在创伤敷料、药物递送系统、组织工程等方面展现出了优异的性能，而且在运动损伤领域也显示了巨大的应用潜力[7]。水凝胶材料在运动损伤中的应用可追溯到在创面护理和运动损伤治疗中的初步尝试[8]。水凝胶的高水合性和生物相容性使其成为理想的创伤敷料，可促进创伤愈合、减少感染并缓解疼痛[9]。水凝胶材料的可调节力学性能使其在运动装备中的应用得到了拓展，降低了运动损伤风险[10]。随着材料科学和生物技术的进步，水凝胶材料的应用不局限于传统的创面护理和创伤治疗，逐渐向运动表现增强和康复恢复领域延伸[11]。尽管水凝胶材料在运动损伤领域的应用潜力巨大，当前仍面临一定的挑战，如力学性能不足、成本较高、降解性问题等，因此，如何进一步提升水凝胶材料的力学性能、增加其功能性、降低生产成本、解决其降解性对环境的潜在影响，成为了未来研究的重要方向。
该文综述水凝胶材料的基本特性、分类及水凝胶材料在运动损伤领域的应用现状，展望水凝胶材料的未来发展前景。

1.1   资料来源   
1.1.1   检索人及检索时间   由第一作者在2024年10月进行检索。 
1.1.2   文献检索时限   各数据库建库至2024年10月。
1.1.3   检索数据库   PubMed、中国知网、万方数据库及维普数据库。 
1.1.4   检索词   英文检索词为“Hydrogel materials，Athletic sports，Flexible sensors，Wearable devices，Sports injuries，Sports performance”，中文检索词为“水凝胶材料，竞技体育，柔性传感器，可穿戴设备，运动损伤，运动表现”。 
1.1.5   检索文献类型   研究原著及综述。 
1.1.6   手工检索情况   手工查阅相关书籍。 
1.1.7   检索策略   以中国知网与PubMed数据库检索策略为例，见图1。
1.1.8   检索文献量   初步检索得到文献352篇，包括英文文献 223篇、中文文献129篇，其中PubMed 数据库223篇、中国知网59篇、万方数据库52篇、维普数据库18篇。 
1.2   入组标准
纳入标准：①研究内容为水凝胶材料在运动损伤领域中的相关应用；②文献质量、相关性、可靠性高，或创新性较为突出的文献；③优先选择最近15年内发表的文献。 
排除标准：①与研究主题无关的文献；②重复性文献；③观点陈旧或存在争议的文献。

1.3   文献质量评价和筛选   共检索到352篇文献，初筛剔除重复文献后，通过泛读对剩余文献的标题、摘要进行筛选，无法判别时精读全文，选取与主题更为相符的文献，最终纳入符合要求的文献68篇，包括英文文献64篇、中文文献4篇。文献筛选流程详见图2。

水凝胶材料因独特的高水合性、生物相容性、可调性以及自愈合能力，近年来在运动损伤中的应用研究取得了重要进展。该文从水凝胶材料的基本特性与分类出发，系统地总结了水凝胶在竞技体育中的应用现状，重点讨论了自愈水凝胶和智能水凝胶在运动监测、运动伤害修复以及运动健康管理中的潜力。随着柔性电子技术的快速发展，水凝胶材料的应用前景在可穿戴设备和柔性传感器方面尤为突出。水凝胶不仅能有效监测运动数据，还具备自愈合能力，能延长设备的使用寿命，提升运动的舒适感和安全性。尽管水凝胶在运动损伤领域中的应用展现出了巨大潜力，但仍存在一些挑战：①水凝胶材料的力学性能仍需进一步提高，以满足高强度运动场景的需求；②水凝胶的长期稳定性和可生物降解性、可调性等方面仍然存在技术瓶颈，如何在保证良好生物兼容性和环境友好性的前提下提高水凝胶的性能，仍是亟待解决的问题。未来，随着智能水凝胶技术的不断发展，可以预见水凝胶材料将更广泛地应用于柔性电子设备、智能运动服饰、可穿戴传感器、运动健康管理平台等领域。水凝胶的自愈能力、环境响应性及与人体的良好兼容性，将使它在运动医学、运动损伤预防和运动能力增强等方面发挥越来越重要的作用。进一步的研究应聚焦于水凝胶材料的力学性能优化、环境适应性增强和多功能化整合，以及水凝胶在动态环境下的应用效果评估。水凝胶作为一种具有高度应用潜力的功能材料，在运动损伤领域的应用前景广阔。随着技术的不断进步和创新，水凝胶材料将在提升运动表现、促进运动康复、延长设备使用寿命及提高运动安全性等方面发挥越来越重要的作用。  

中国组织工程研究杂志出版内容重点：生物材料；骨生物材料；口腔生物材料；纳米材料；缓释材料；材料相容性；组织工程

该文全面综述了水凝胶材料在运动损伤中的应用现状，首先，总结了在运动损伤中应用的水凝胶材料基本特性与分类，包括水凝胶高水合性、生物相容性、自愈合能力和可调性等特性，以及根据其不同角度进行分类。其次，主要总结了自愈水凝胶和智能水凝胶在运动损伤中的应用情况。第三，介绍了水凝胶材料在竞技体育柔性电子产品中的应用情况。最后，基于发展概况和个人理解，总结了水凝胶在运动损伤应用中的不足，并对水凝胶领域的未来发展前景进行了展望。该文的目的是使运动领域和对水凝胶感兴趣的研究人员对水凝胶在运动损伤中的应用有一个系统的了解，并对他们产生启发和推动相关领域的进一步发展。

中国组织工程研究杂志出版内容重点：生物材料；骨生物材料；口腔生物材料；纳米材料；缓释材料；材料相容性；组织工程

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