水凝膠的最新研究進(jìn)展

何暢

摘 ?????要： 綜述了近幾年國內(nèi)外對水凝膠研究的現(xiàn)狀，簡要介紹了基于水凝膠高吸水性、保水性能和機(jī)械性能的創(chuàng)新性研究，同時重點(diǎn)介紹了對溫度、光照、pH、電場、磁場等外部環(huán)境刺激有響應(yīng)的智能水凝膠的研究進(jìn)展與其在藥物釋放體系、檢測器、機(jī)器人驅(qū)動裝置等領(lǐng)域應(yīng)用。

關(guān) ?鍵 ?詞：水凝膠;吸水性能;機(jī)械性能;智能響應(yīng)

中圖分類號：TQ 050 ?????文獻(xiàn)標(biāo)識碼：?A ?????文章編號： 1671-0460（2020）01-0249-04

The Latest Research Progress and Application of Hydrogels

HE Chang

（School of Pharmaceutical Science and Technology， Tianjin University， Tianjin300072， China）

Abstract： Research?status on hydrogels at home and abroad was?reviewed. Researches and applications of hydrogels based on their high?water absorption， water retention and mechanical properties were?introduced. Moreover， recent researches on smart hydrogels， which are sensitive to temperature， light， pH， electric field?and magnetic field， were discussed as well as?their applications in drug delivery system， detecting system and other fields.

Key words：?Hydrogel;?Water absorption?property;?Mechanical properties;?Intelligent response

水凝膠是一種由親水性聚合物鏈組成并通過物理交聯(lián)或化學(xué)交聯(lián)而形成的材料^[1]。水凝膠中形成三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的聚合物起到骨架的作用，通過表面張力作用將大量的水鎖在水凝膠整體當(dāng)中。水凝膠的保水能力取決于三維結(jié)構(gòu)的交聯(lián)程度和結(jié)構(gòu)分子的親水能力，表現(xiàn)為水凝膠的吸水膨脹性能。水凝膠的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)可以保持聚合物鏈本身的親水性質(zhì)，聚合鏈又由于交聯(lián)形成了整個凝膠網(wǎng)絡(luò)，使得它能夠在水中不被溶解^[2]。

對于水凝膠應(yīng)用的研究始于1960年，Wichterle和Lim通過聚合2-羥乙基甲基丙烯酸甲酯成功制備了水凝膠，并制成了歷史上第一副隱形眼鏡^[3]。自此水凝膠的研究與應(yīng)用進(jìn)入了一個快速發(fā)展的時期。

水凝膠的結(jié)構(gòu)性質(zhì)使得它能夠吸收并儲存遠(yuǎn)超過自身質(zhì)量的水，因此水凝膠具有多種商業(yè)用途。具有強(qiáng)吸水能力的水凝膠可以用于水的吸收和儲存，在污水處理和農(nóng)業(yè)灌溉中都能得以應(yīng)用。此外，由于水凝膠具有的優(yōu)秀保水溶脹性能，水凝膠材料也被用于生產(chǎn)紙尿褲^[4]。除了具有強(qiáng)的吸水性能外，水凝膠通常還具有較小的硬度和較高的彈性，軟性的水凝膠也被用作制備隱形眼鏡^[5]和醫(yī)療設(shè)備的電極?；讵?dú)特的組成偶合機(jī)械性能，具有生物相容性和生物可降解性的水凝膠也被用在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，在過去的幾十年中，以水凝膠材料為載體，用于生物細(xì)胞培養(yǎng)、組織工程生物支架材料的例子也層出不窮^[6]。

近年來，隨著人們對材料化學(xué)的深入研究，對于外界刺激具有相應(yīng)特性的智能水凝膠成為材料學(xué)家研究的重點(diǎn)，智能水凝膠是能夠通過接觸外部環(huán)境的刺激而做出相應(yīng)的智能響應(yīng)的材料，他們能夠通過感應(yīng)外部溫度、光照、磁場、電廠、pH值等的變化或接觸到特定的小分子而改變自身結(jié)構(gòu)或溶脹特性的性質(zhì)，從而發(fā)揮出人們所需的功能。根據(jù)外部刺激因素的種類區(qū)別，可以將智能水凝膠分為溫敏型水凝膠、光敏型水凝膠、pH敏感型水凝膠、電場敏感型水凝膠、磁場敏感型水凝膠等。智能水凝膠具有功能豐富、制備工藝簡單、等特點(diǎn)，因而水凝膠在當(dāng)代受到研究者們的廣泛關(guān)注并將其應(yīng)用在醫(yī)療、傳感器、藥劑學(xué)、污水治理等眾多領(lǐng)域^[7]。

1 ?基于吸水性和機(jī)械性能的應(yīng)用

1.1 ?生物化學(xué)研究中的應(yīng)用

在生物學(xué)研究過程中，細(xì)胞體外培養(yǎng)是不可或缺的一部分。傳統(tǒng)的細(xì)胞培養(yǎng)方式是采用平面型的培養(yǎng)基（2D）進(jìn)行細(xì)胞培養(yǎng)， 這種方法操作簡單而且培養(yǎng)基容易制備。但是2D的培養(yǎng)基不能完整的模擬細(xì)胞在體內(nèi)增殖的環(huán)境條件，這種變化有可能影響細(xì)胞正常的新陳代謝、基因表達(dá)和細(xì)胞外基質(zhì)的產(chǎn)生。因此，能夠模擬體內(nèi)環(huán)境的立體型基質(zhì)（3D）得到研究者們的廣泛關(guān)注。由于水凝膠具有含水量高、生物相容性好等特點(diǎn)，研究者們也將水凝膠材料用于細(xì)胞培養(yǎng)基質(zhì)的制備。

Akimoto等^[8]以N-異丙基丙烯酰胺和N-（3-氨基丙基）甲基丙烯酸的共聚物為原料，在此基礎(chǔ)上加入N-羥基丁二酰亞胺終止的聚乙二醇和精-甘-天冬-絲氨酸肽鏈交聯(lián)成聚合物制備成水凝膠材料，這種材料可隨溫度的變化發(fā)生機(jī)械強(qiáng)度的變化，當(dāng)他們用這種材料制成三維立體的水凝膠基質(zhì)培養(yǎng)成肌細(xì)胞C2C12時，實(shí)現(xiàn)了通過改變外界環(huán)境達(dá)到改變細(xì)胞附著基質(zhì)機(jī)械強(qiáng)度，最終達(dá)到控制細(xì)胞生長的目的。

1.2 ?在組織工程學(xué)中的應(yīng)用

組織工程學(xué)是一門結(jié)合細(xì)胞生物學(xué)、工程學(xué)、材料學(xué)用于在體內(nèi)或體外構(gòu)建組織或器官的學(xué)科。組織工程的基本原理是將從機(jī)體內(nèi)取出的少量活體組織細(xì)胞與具有良好相容性、可降解或可吸收的生物支架材料混合制成細(xì)胞-材料復(fù)合物，將這種復(fù)合物植入機(jī)體的受損組織或器官部位時，隨著支架材料逐漸被降解和吸收，植入的細(xì)胞能夠不斷增殖分化，最終形成相應(yīng)的組織或器官，以達(dá)到創(chuàng)傷修復(fù)的目的。水凝膠材料通常具有良好的生物相容性和降解性，因此水凝膠材料可以在組織工程學(xué)中作為生物支架材料具有很高的應(yīng)用潛力。

Cheng等^[9]以Fmoc-L-苯丙氨酸，2-萘乙酸以及精氨酸-甘氨酸-天冬氨酸肽鏈為原料制備了凝膠劑NapFFRGD。隨后將這種凝膠劑與絲心蛋白在水中混合，得到了一種可以在低濃度成膠，并具有非常高的生物相容性的水凝膠。他們通過皮下注射將包有血管內(nèi)皮生長因子的水凝膠注射到小鼠體內(nèi)，有效地促進(jìn)了小鼠體內(nèi)毛細(xì)血管的生成。Pourjavadi等^[10]在由聚異丙基丙烯酰胺與殼聚糖和卡拉膠組成的混合物中引入金納米粒形成物理交聯(lián)，制備了具有強(qiáng)機(jī)械性質(zhì)和溫度敏感性的水凝膠。這種水凝膠展現(xiàn)出了優(yōu)秀的生物相容性。在將人成骨肉瘤細(xì)胞（MG-63）結(jié)合在這種水凝膠中時，MG-63細(xì)胞在15 d內(nèi)表現(xiàn)出了良好的細(xì)胞活力、細(xì)胞附著和增值能力， 表明該水凝膠可以作為組織工程學(xué)中理想的生物支架材料。

1.3 ?在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的應(yīng)用

水凝膠具有優(yōu)異的吸水保水能力，可以吸收超過自身質(zhì)量百倍的水分而不被溶解，然后緩慢釋放，水凝膠的這種特性使得水凝膠可以被應(yīng)用到農(nóng)業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域，用作土壤保濕和化肥、農(nóng)藥緩釋劑。

土壤中的水含量對于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)而言至關(guān)重要，土壤含水量低是影響農(nóng)作物產(chǎn)量的最主要原因^[11]，因此，高效地利用有限的水資源是十分必要的。在過去的幾十年中利用水凝膠作為高吸水材料已經(jīng)得到人們的廣泛關(guān)注。Cheng等^[12]以丙烯酸、尿素、過硫酸鉀以及N，N-亞甲基雙丙烯酰胺為原料，共聚成交聯(lián)聚合物制成具有高吸水水凝膠，實(shí)現(xiàn)了最高909 g/g的高效吸水能力。

在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中，土壤中的養(yǎng)分也是影響農(nóng)產(chǎn)品產(chǎn)量的重要因素。氮元素肥料是影響農(nóng)作物產(chǎn)量的關(guān)鍵養(yǎng)料，在傳統(tǒng)的施肥方式中，氮肥的利用效率只能達(dá)到30%～50%^[13]，提高氮肥的利用效率可以極大地減少相關(guān)投入和環(huán)境污染問題。在Cheng等^[12]的研究中，由于水凝膠的交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)中含有作為氮肥的尿素分子，這種高吸水水凝膠同時也能作為氮素化肥的緩釋載體。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示水凝膠中的氮素在40 d內(nèi)緩慢釋放3.71%，表明這種材料具有在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中作為氮素化肥的緩釋材料的應(yīng)用潛能

水凝膠同樣作為農(nóng)藥緩釋材料以減少農(nóng)藥對環(huán)境的污染。Sarkar等^[14]在用硼酸和羧甲基纖維素聚合交聯(lián)而成的水凝膠中載入農(nóng)藥噻蟲嗪，這種復(fù)合材料在酸性、堿性、中性環(huán)境中表現(xiàn)出了不同的農(nóng)藥釋放效率，在堿性環(huán)境下，這種材料的農(nóng)藥釋放效率最高。這一實(shí)驗(yàn)結(jié)果展示了水凝膠材料在農(nóng)業(yè)農(nóng)藥緩釋領(lǐng)域的應(yīng)用前景。

2 ?智能水凝膠的研究與應(yīng)用

2.1 ?溫度敏感性水凝膠

溫度敏感性水凝膠是指隨著外界溫度變化，能夠改變自身體積、透光率等性質(zhì)的水凝膠。溫度敏感性水凝膠可以被應(yīng)用于藥物控制釋放領(lǐng)域。Fu等^[15]使用具有溫度敏感性的聚氧乙烯和聚氧丙烯醚的嵌段共聚物Pluronic F127制備水凝膠，這種水凝膠在高于體溫時為溶液狀態(tài)，與硫化銅納米點(diǎn)混合制成均勻混合物并注射到生物體內(nèi)，當(dāng)溫度降到37 ℃時，該混合物由溶膠狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)槟z狀態(tài)，對用于癌癥光熱治療的硫酸銅納米點(diǎn)有較好的包覆和緩釋作用。

2.2 ?pH敏感性水凝膠

pH敏感性水凝膠的溶脹或消溶脹可以隨著外界pH的變化而發(fā)生改變。這種對pH的相應(yīng)特性可以通過在聚合鏈中引入物理交聯(lián)而實(shí)現(xiàn)。Liu等^[16]將甲基丙烯酸-2-羥基乙酯和甲基丙基酸制成共聚物得到成具有pH敏感性的水凝膠，隨后，他們將這種水凝與全息光柵傳感平臺結(jié)合制成傳感裝置。由于共聚物中的羧基可以根據(jù)外部pH的變化而改變得到或失去質(zhì)子，水凝膠也隨之發(fā)生溶脹或消溶脹。例如，水凝膠網(wǎng)絡(luò)中的羧基被離子化時，水凝膠內(nèi)的滲透壓升高，它的吸水能力也隨之升高。所以當(dāng)外部環(huán)境的pH值較高時，水凝膠網(wǎng)絡(luò)中的羧基被離子化，凝膠內(nèi)滲透壓升高，吸水增多，凝膠發(fā)生溶脹，同時，水凝膠的膨脹使得光柵的間距增加，通過光柵的光線發(fā)生紅移現(xiàn)象，相反，當(dāng)pH值較低時，凝膠消溶脹，光線發(fā)生藍(lán)移動。因此pH敏感性水凝膠在檢測器領(lǐng)域有著極高的應(yīng)用價值。

2.3??光敏感性水凝膠

光敏性水凝膠能夠在光刺激下發(fā)生形態(tài)變化，這種水凝膠通?？梢酝ㄟ^將具有光敏性質(zhì)的官能團(tuán)引入到水凝膠的交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)中獲得。Dübner等^[17]制備了一種既具有pH敏感性又具有光照相應(yīng)的水凝膠材料，他們在首先將聚甲基丙烯酸嵌合在聚丙烯薄膜上制成pH敏感性水凝膠，隨后通過聚合后修飾將光致變色的螺吡喃連接在水凝膠主體上得到同時對pH和光照具有響應(yīng)特性的水凝膠。這種材料的光敏性體現(xiàn)在，當(dāng)水凝膠暴露在紫外光下，其顏色會從黃色變?yōu)樽仙?，?dāng)除去紫外光并將它暴露在可見光下時，紫色的水凝膠又轉(zhuǎn)變?yōu)辄S色。光致變色的水凝膠材料同樣在檢測器的開發(fā)與研究中有極大的應(yīng)用潛力。

2.4??電場敏感性水凝膠

水凝膠的電敏感性可由引入聚電解質(zhì)而得來，在電場中，聚電解質(zhì)水凝膠發(fā)生形狀改變并伴隨能量變化，這種性質(zhì)使得電敏感性水凝膠在傳感器、機(jī)器人科學(xué)等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用前景。Zhang等^[18]將具有導(dǎo)電性的二維無機(jī)化合物MXene（Ti₃C₂T_x）混入聚乙烯醇水凝膠中，制備了具有極高的延展性，自愈性以及對多種表面具有良好貼合性的電敏感水凝膠。這種水凝膠展現(xiàn)出了遠(yuǎn)超過此前報道的電敏感材料的機(jī)械性能，在檢測壓力變化的能力上具有極高的準(zhǔn)確性和敏感性。

2.5 ?磁場敏感性水凝膠

磁場敏感性水凝膠是由水凝膠和嵌入其中的磁性粒子（Fe₃O₄，γ-Fe₂O₃等）組成的混合材料^[19]，它們的溶脹行為能夠?qū)ν饧哟艌龅淖兓龀鲰憫?yīng)，因此磁場敏感性水凝膠在藥物釋放、軟體顯示器、機(jī)器人以及生物醫(yī)學(xué)工程等領(lǐng)域都有潛在的應(yīng)用前景。Tang等^[20]使用原味沉積法使Fe₃O₄微粒均勻地分布在由以黏土和N-異丙基丙烯酰胺共聚而成的水凝膠中，制備了具有磁場響應(yīng)功能且強(qiáng)韌機(jī)械性質(zhì)的磁場敏感性水凝膠。此外，他們將所得的水凝膠粘連在彈性亞克力上形成雙層結(jié)構(gòu)，由于磁敏感水凝膠在磁場作用下會收縮，這種具有雙層結(jié)構(gòu)的材料則會發(fā)生彎曲。這項(xiàng)研究向人們展示了一種可以通過磁場遠(yuǎn)程控制形態(tài)變化的水凝膠材料。

2.6??形狀記憶水凝膠

形狀記憶水凝膠是一種特殊的智能水凝膠，它們具有保持臨時變形形狀的能力。當(dāng)受到外部環(huán)境的刺激時，形狀記憶水凝膠可以改形狀并維持這一臨時形狀，當(dāng)外部環(huán)境恢復(fù)到初始狀態(tài)時，它們的形狀也能變?yōu)樵瓨?。近年來，形狀記憶水凝膠正在越來越引人注目，由于具有水凝膠的高生物相容性、生物可降解性和環(huán)境友好性，越來越多的記憶性水凝膠被應(yīng)用到檢測器、處理器、驅(qū)動器和藥物釋放等領(lǐng)域^[21]。

Dai等^[22]在由Pluronic F127 丙烯酸酯以及丙交酯和乙交酯的共聚物形成的混合交聯(lián)產(chǎn)物中引入了具有近紅外光敏感性的氧化石墨烯，制備了具有良好機(jī)械性能且有近紅外光響應(yīng)的形狀記憶水凝膠。同時，他們采用3D打印技術(shù)，將這種強(qiáng)韌的水凝膠制成多種形狀，在近紅外光的刺激下實(shí)現(xiàn)形狀的變化。此項(xiàng)研究所制備的形狀記憶水凝膠經(jīng)測試沒有細(xì)胞毒性，可以應(yīng)用于給藥系統(tǒng)和組織工程。

He等^[23]用聚N-異丙基丙烯酰胺和氧化石墨烯為原料制備的雙層形狀記憶水凝膠能夠同時對溫度和近紅外光兩種外部刺激發(fā)生彎曲響應(yīng)，雙層結(jié)構(gòu)使得這種水凝膠材料能夠?qū)崿F(xiàn)兩個不同方向的彎曲和復(fù)原。Wang等^[24]以聚N-異丙基丙烯酰胺和聚N羥乙基丙烯酰胺為原料設(shè)計的雙層水凝膠材料能夠同時對溫度和乙醇/水混合溶劑有響應(yīng)，這種材料實(shí)現(xiàn)兩個方向的彎曲和復(fù)原的同時具有準(zhǔn)確的可調(diào)控性。這種有多種類響應(yīng)性的水凝膠驅(qū)動裝置具有被應(yīng)用在軟性機(jī)器人和人工肌肉等更復(fù)雜系統(tǒng)的巨大潛力，同時為新一代的仿生材料提供了很好的設(shè)計思路。

2.7??其他智能水凝膠

除去常見的溫度、光照、pH、電場及磁場敏感性水凝膠外，部分智能水凝膠也可以對溶液中鹽離子^[25]或特定的小分子^[26]的種類和濃度做出響應(yīng)。例如，Oliveira等^[27]制備的水凝膠材料能夠用于檢測可卡因;Goh等^[28]制備水凝膠材料能夠?qū)Νh(huán)境中尿素和氯化鈉的濃度做出響應(yīng)，從而表現(xiàn)出不同的脲酶催化性能。

3 ?結(jié)束語

近年來，無論是基于水凝膠的結(jié)構(gòu)性質(zhì)或環(huán)境刺激響應(yīng)性能，水凝膠已經(jīng)廣泛應(yīng)用于農(nóng)業(yè)、醫(yī)藥、工業(yè)等領(lǐng)域，具有新結(jié)構(gòu)新性質(zhì)的水凝膠也層出不窮，具有非常大的發(fā)展空間和應(yīng)用前景。智能水凝膠具有生產(chǎn)成本低、低毒性、優(yōu)良的生物相容性和生物降解性、環(huán)境響應(yīng)性以及功能多樣性等特點(diǎn)，因此智能水凝膠將會是這一領(lǐng)域中最為閃耀的一顆明星。

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