生物基水凝膠制備與應用研究進展

王 碩，王永貴，肖澤芳，謝延軍

(東北林業(yè)大學 材料科學與工程學院；生物質(zhì)材料科學與技術教育部重點實驗室，黑龍江 哈爾濱 150040)

凝膠是一種具有三維網(wǎng)絡空間結構且被分散介質(zhì)填充的凝聚態(tài)物質(zhì)，通常由膠體粒子或凝膠因子交聯(lián)而成。凝膠在流變性上表現(xiàn)出類固體的流變學性質(zhì)，它既具有高的黏度，又具有高的彈性，并且其彈性遠遠大于黏性。凝膠的三維網(wǎng)絡結構可以為溶劑提供一個存儲空間。凝膠可以吸收其自身質(zhì)量幾十倍到幾千倍質(zhì)量的液體，從而使其在熱力學上表現(xiàn)出類液體行為[1]。水凝膠的網(wǎng)絡結構表面含有大量親水基團，使其能夠充分吸水溶脹而不溶解。水凝膠的開發(fā)利用最早源于1960年，捷克化學家奧托·威特勒以聚甲基丙烯酸羥乙酯為原料制備了首例合成水凝膠，并應用于隱形眼鏡[2]。隨后幾十年中，水凝膠的研究方向大多聚焦在親水性高聚物上。近年來，隨著可持續(xù)發(fā)展觀念深入人心，可再生可降解的生物質(zhì)資源受到越來越多的關注，成為水凝膠最具開發(fā)潛力的原料之一。本綜述旨在對生物基水凝膠的研究進展進行系統(tǒng)介紹，分別闡述各類生物基水凝膠的合成方法、性能和結構，并提出生物基水凝膠在未來發(fā)展中的挑戰(zhàn)和應用前景，以期為水凝膠的設計合成和進一步開發(fā)利用提供參考。

1 水凝膠的分類及特點

水凝膠根據(jù)其交聯(lián)方式的不同分為物理水凝膠(或非永久性水凝膠)和化學水凝膠(永久性水凝膠)。物理水凝膠是凝膠基質(zhì)分子鏈通過疏水相互作用、靜電相互作用、氫鍵、主-客體相互作用等作用力，以微晶、膠束、螺旋、纏繞等形式交聯(lián)成水凝膠[3]。由于整個水凝膠網(wǎng)絡是由物理作用構成的，物理水凝膠的形成具有可逆性，可通過改變溫度、離子濃度、酸堿環(huán)境等條件來調(diào)控凝膠結構的成型和解離[4]。生物基高分子材料(如：聚乙二醇接枝殼聚糖)大多具有兩親性，可通過疏水相互作用實現(xiàn)溶膠-凝膠相互轉化，用于制備溫敏可逆水凝膠[5]。含有兩種不同電荷的凝膠基質(zhì)可通過分子間的電荷相互作用形成物理水凝膠。該凝膠基質(zhì)一般包括以下幾種類型：1)體系含有一種帶電荷高分子和含有相反電荷的小分子作為交聯(lián)劑[6]；2)體系中含有兩種帶相反電荷的聚電解質(zhì)或其它高分子[7]；3)體系中含有表面帶電荷微/納粒子和帶相反電荷小分子或高分子做交聯(lián)劑[8]；4)體系中只含有一種兩性離子共聚物[9]。此外，分子自組裝、分子折疊、主客體相互作用、絡合、機械聯(lián)鎖等超分子結構構筑方式也可以用于水凝膠的制備[10]。聚環(huán)氧乙烷聚羥基丁酸酯嵌段共聚物或聚乳酸殼聚糖嵌段共聚物可通過與環(huán)糊精復合形成具有較強機械性能和自組裝結構的水凝膠[11-12]。由于無需進行化學反應，物理交聯(lián)水凝膠在原位成膠方面有較廣闊的應用前景。但物理水凝膠也存在成膠時間長、空隙大小不均一，凝膠不穩(wěn)定、強度低等問題。目前，一般通過化學交聯(lián)的方式來提高水凝膠的結構穩(wěn)定性和均一性。

化學水凝膠主要通過單體聚合、微/納粒子或高分子交聯(lián)等方式制備水凝膠，交聯(lián)反應可由原料自身的活性官能團發(fā)生，或引入帶有活性端基的交聯(lián)劑。自由基聚合、點擊化學、席夫堿反應等是水凝膠制備研究中常用的化學交聯(lián)方法。與物理交聯(lián)不同，化學交聯(lián)一般是不可逆的。但是在動態(tài)共價化學鍵存在的條件下可以實現(xiàn)化學交聯(lián)水凝膠的可逆轉化。動態(tài)共價化學鍵，包括二硫鍵、酰腙鍵、亞胺鍵、Diels-Alder反應等，在催化劑、光、溫度、氧化/還原劑等條件下可實現(xiàn)可逆的成鍵和斷裂，廣泛應用于自修復水凝膠等刺激響應性智能材料的制備[13]。

生物基水凝膠是以天然高分子材料，包括纖維素、淀粉、甲殼素、海藻酸鈉、透明質(zhì)酸為主體通過物理或化學交聯(lián)制成的水凝膠。生物基水凝膠的成分結構及理化性質(zhì)類似于細胞外基質(zhì)，具有良好的生物相容性、可降解性、刺激響應性等，結合其固有的多孔結構和吸水溶脹等特性，使其在藥物傳遞、組織工程、生物傳感、環(huán)境衛(wèi)生等領域得到了廣泛的研究和應用。

2 生物基水凝膠的合成及改性

2.1 纖維素基水凝膠

2.1.1纖維素基水凝膠的制備 纖維素基水凝膠包含以纖維素分子、納米纖維素或纖維素衍生物為主要原料，通過溶解和物理交聯(lián)制備的純纖維素水凝膠，或與其他物質(zhì)共混交聯(lián)制備的復合水凝膠[3]。纖維素是由葡萄糖單元通過β-1,4糖苷鍵鏈接而成的天然高分子，有難以溶解的結晶區(qū)，使纖維素的溶解成為制備純纖維素水凝膠的限制因素。傳統(tǒng)的纖維素溶解體系主要依靠極性復合溶劑，包括甲基嗎啉氧化物[14]、二甲基乙酰胺/氯化鋰[15]、四丁基氟化銨/二甲基亞砜[16]等。近年來，一些新型溶劑體系，如：離子液體[17-18]、堿/尿素(或硫脲)低溫溶解體系[19]等，受到了越來越多的關注。在低濃度條件下，纖維素溶液中分子鏈無序分布，隨著濃度升高，分子間氫鍵作用及相互纏繞增加，體系由溶液狀態(tài)逐漸轉變?yōu)槟z狀態(tài)，最終形成結構相對穩(wěn)定的纖維素水凝膠[20]。

通過調(diào)節(jié)溫度、溶劑體系等方式可以進一步提高纖維素水凝膠的凝膠網(wǎng)絡交聯(lián)強度。凍融法是纖維素水凝膠固化增強的重要方式，凍-融循環(huán)處理過程中纖維素分子間氫鍵作用顯著增強，從而提高水凝膠的強度[3]。Lu等[21]通過乙二胺/硫氰酸鉀溶解纖維素及后續(xù)循環(huán)凍-融處理成功制備高強度纖維素超分子水凝膠。此外，通過改變?nèi)軇w系(如：浸漬在水、甲醇、乙醇、丙酮等溶劑中)，破壞纖維素溶解平衡，會導致纖維素分子鏈局部絮聚凝結，提高了纖維素水凝膠穩(wěn)定性和強度。同時，由于溶解體系被破壞，可逆水凝膠將轉化為不可逆的纖維素水凝膠[3]。

納米纖維素可以通過物理交聯(lián)或化學交聯(lián)形成具有大比面積、獨特力學性能和納米效應的納米纖維素基水凝膠。細菌纖維素(BNC)具有優(yōu)良生物相容性、高純度、高結晶度、超親水性能和超精細網(wǎng)絡結構等特點，其水凝膠是一種理想的生物醫(yī)藥用材料。Guan等[22]通過對BNC水凝膠進行濕捻處理，使其形成類似于彈簧模型的螺旋結構，氫鍵的斷裂重組賦予其獨特的能量耗散機制，使得水凝膠在應力作用下表現(xiàn)出優(yōu)異的強度和韌性，該水凝膠彈性模量接近于人體組織，作為傷口縫合線不會對傷口造成二次傷害。BNC還具有優(yōu)異的形態(tài)可塑性，在其生物合成過程中可以根據(jù)應用需求調(diào)整其形貌和尺寸。例如：通過調(diào)整生物合成環(huán)境可以合成管狀BNC水凝膠，可作為微血管用于生物醫(yī)藥領域。CNC一般通過硫酸水解或2,2,6,6-四甲基哌啶-氮氧化物(TEMPO)氧化等制得，其表面含有硫酸基團或羧基等帶電荷基團，可以通過靜電排斥作用形成穩(wěn)定的分散體系。CNC可以通過溶劑置換、超聲波處理、滲析和調(diào)節(jié)酸堿性等方式形成物理交聯(lián)水凝膠。

2.1.2纖維素基水凝膠的衍生化改性 纖維素分子鏈上的羥基具有較高的反應活性，可作為改性位點進行酯化、醚化、氧化、接枝共聚等衍生化改性，并通過改性為化學交聯(lián)制備水凝膠創(chuàng)造條件。當纖維素上的羥基被部分或全部取代后，纖維素原有的氫鍵結構被破壞，使其可以溶于水或常用有機溶劑中。經(jīng)醚化改性后，多種纖維素產(chǎn)物具有優(yōu)良的水溶性，可作為合成水凝膠的原料。由于部分羥基被甲基、丙基等烷基取代，纖維素醚分子鏈中形成疏水區(qū)域。當溫度高于特定值時，由氫鍵相互作用形成的籠形結構被破壞，使纖維素醚分子鏈疏水區(qū)域暴露，水分子被排出，分子間發(fā)生疏水相互作用形成微凝膠區(qū)，最終形成穩(wěn)定可逆的水凝膠。

相較于纖維素醚，纖維素酯在水凝膠制備中的應用相對較少，只有醋酸纖維素等少數(shù)纖維素酯具有合成水凝膠的潛力。然而，纖維素化學交聯(lián)水凝膠通常經(jīng)過酯化反應制備，多元羧酸及其酸酐、不飽和羧酸等均可作為交聯(lián)劑(表1)，用于酯化反應合成纖維素基水凝膠。Kono等[25]以1,2,3,4-丁烷四羧酸二酐為交聯(lián)劑與純纖維素溶液反應制備出超吸收性纖維素水凝膠，溶脹率達720 g/g。Seki等[29]分別以富馬酸和檸檬酸為交聯(lián)劑，合成了具有pH和離子響應性的羧甲基纖維素/羥乙基纖維素水凝膠。由于檸檬酸較強的親水性，以檸檬酸為交聯(lián)劑制備的水凝膠比富馬酸為交聯(lián)劑制備的水凝膠具有更強的吸收溶脹性能。Demitri等[32]以生物質(zhì)基檸檬酸為交聯(lián)劑制備的CMC/羥乙基纖維素復合水凝膠具有良好的生物相容性，保證了其在食品、藥物、生物醫(yī)用領域的安全性。該水凝膠的溶脹率與檸檬酸用量、CMC和羥乙基纖維素比例、干燥過程的均有密切相關性，當檸檬酸的質(zhì)量分數(shù)為3.75%時，該復合水凝膠的溶脹率高達900 g/g。

表1 纖維素基水凝膠酯化反應常用交聯(lián)劑列表

除小分子改性交聯(lián)外，以纖維素或纖維素衍生物表面活性基團為接枝位點，在纖維素骨架上接枝聚合物也廣泛應用于纖維素基水凝膠的研究中。接枝聚合有兩種方式，一種方式是將聚合物側鏈直接接枝到纖維素上，另一種方式是纖維素鏈上生成活性位點后進行單體聚合，包括自由基聚合、開環(huán)聚合(ROP)、原子轉移自由基聚合(ATRP)等[36]。Zhu等[37]以CMC為自由基反應引發(fā)劑和一級交聯(lián)劑，以N,N′-亞甲基雙丙烯酰胺(MBA)為二級交聯(lián)劑，加入丙烯酸進行接枝共聚合成纖維素-聚丙烯酸雙交聯(lián)水凝膠，如圖1所示。制備的水凝膠的抗拉強度和彈性模量分別在724～352 kPa和115～307 kPa 范圍內(nèi)，具體強度可通過調(diào)節(jié)MBA的含量來控制，同時該雙交聯(lián)結構，使得該凝膠具有高回彈性和低的殘余應變，回彈率高于92%[37-38]。ATRP聚合具有反應活性可控、反應條件溫和、接枝效率高等優(yōu)點，是活性/可控自由基聚合反應中應用最廣泛的技術，也是纖維素及其它天然高分子材料接枝共聚改性的主要途徑，其中2-溴異丁酰溴(BrBiB)和2-氯乙酰氨為常用的引發(fā)劑[39]。Xu等[40]以羥丙基纖維素為原料，通過與BrBiB進行酯化反應制備出纖維素基大分子引發(fā)劑，在催化劑作用下與N-異丙基丙烯酰胺發(fā)生接枝聚合反應，并通過二乙烯砜進行后續(xù)交聯(lián)，合成了溫度響應性水凝膠。

圖1 羧甲基纖維素/丙烯酸雙交聯(lián)網(wǎng)絡高彈性水凝膠合成示意[37]

納米纖維素可以通過后續(xù)表面化學改性引入功能基團合成功能性水凝膠，改性后的納米纖維素也可以作為交聯(lián)劑或增強劑用于合成復合水凝膠。Mckee等[41]通過瓜環(huán)結構與萘基和甲基紫精基的主客體相互作用，以聚甲基丙烯酸二甲氨基乙酯接枝CNC為增強體，與含有甲基紫精基的聚乙烯醇衍生物復合制備了一種具有優(yōu)異自愈合性能的納米復合水凝膠。Huang等[42]通過對CNC氧化改性，在其表面引入醛基，通過和羧甲基殼聚糖中的氨基進行反應構筑了具有抗菌、可注射、自愈合性能的水凝膠，如圖2所示。其中，CNC作為該復合水凝膠中的“硬段”，起到支撐三維網(wǎng)絡結構和提高力學強度的作用。

圖2 DACNC通過亞胺鍵交聯(lián)制備水凝膠[42]

2.2 殼聚糖基水凝膠

甲殼素是一種儲量僅次于纖維素的第二豐富的天然多糖，殼聚糖是甲殼素部分脫乙?；?脫乙酰率>50%)的產(chǎn)物，是目前發(fā)現(xiàn)的唯一一種天然堿性多糖。殼聚糖具有良好的溶解性能、良好生物相容性、低細胞毒性和可降解性等優(yōu)點，廣泛應用于功能性水凝膠的制備。

殼聚糖分子鏈上的氨基和和乙酰氨基可作為質(zhì)子受體，轉變?yōu)榫垭娊赓|(zhì)，進而通過離子鍵和氫鍵等相互作用交聯(lián)合成物理水凝膠。在酸性環(huán)境中，氨基可與質(zhì)子結合形成帶正電的季銨鹽，通過添加檸檬酸鈉、三聚磷酸鹽、β-甘油磷酸鹽等多電荷陰離子，形成靜電交聯(lián)，提高水凝膠的強度。Xu等[43]通過三聚磷酸鹽和氯化鈉混合溶液、NaOH溶液交替處理的方法成功實現(xiàn)了殼聚糖水凝膠的有效調(diào)控，制備了單層、雙層和三層等系列殼聚糖水凝膠，提高了殼聚糖水凝膠的可塑性，有利于殼聚糖水凝膠在血管修復、軟骨替代材料等領域的應用。Dalmoro等[44]通過在殼聚糖溶液中加入β-甘油磷酸鹽成功制備了可注射溫敏性殼聚糖水凝膠，β-甘油磷酸鹽因帶有負電荷，與殼聚糖分子中帶正電荷的質(zhì)子化氨基發(fā)生靜電相互作用，促進了殼聚糖的凝膠化。通過一步核糖核酸模型藥物的負載和釋放行為研究表明該可注射型殼聚糖水凝膠具有優(yōu)異的藥物負載與緩釋性能。除小分子交聯(lián)劑外，海藻酸鈉[45]、聚乙烯醇[46]、聚乙二醇[47]等可降解高分子也可通過物理或化學交聯(lián)，與殼聚糖共混制備復合水凝膠。Rassu等[45]以殼聚糖和海藻酸鈉2種生物基高分子材料為原料，通過氨基和羧基靜電交聯(lián)制備了生物基復合水凝膠，該復合水凝膠可作為去鐵胺藥物載體，能有效抑制藥物的突釋現(xiàn)象，克服了去鐵胺在人體血液中半衰期短的問題，成功延長藥物在體內(nèi)的作用時間。

殼聚糖分子鏈上含有大量羥基和氨基，可作為活性位點進行接枝改性和化學交聯(lián)，與纖維素類似，羥基同樣可以采取酯化、醚化等形式進行交聯(lián)制備水凝膠。Duan等[48]分別以殼聚糖和纖維素/CMC為原料，表氯醇為交聯(lián)劑，制備了2種生物基水凝膠，并將其與前期制備的2種預水凝膠通過不同形式復合，制備了具有pH響應性的智能雙層水凝膠。此外，含有雙活性端基的小分子化學交聯(lián)劑，如戊二醛、丙二醛、京尼平等，可通過與殼聚糖分子上的氨基反應，交聯(lián)固化成水凝膠。京尼平是一種從梔子水果中提取的天然環(huán)烯醚萜類化合物，與醛類交聯(lián)劑相比具有極低的細胞生物毒性，常作為醛類化合物的替代交聯(lián)劑[3]。Khurma等[49]通過殼聚糖與聚乙二醇復合，以京尼平為化學交聯(lián)劑，通過半互穿網(wǎng)絡交聯(lián)制備了pH/溫度雙敏性水凝膠，隨著溫度和pH的變化水凝膠溶脹率顯示出優(yōu)異的響應性能。改性高分子，如聚乙二醇，可利用末端羥基進行活化改性，引入反應性官能團，并以此為交聯(lián)劑，在殼聚糖水凝膠的制備中得到了廣泛應用。Zhang等[50]通過聚乙二醇與對醛基苯甲酸反應，合成了兩端含有苯甲醛基團的改性聚乙二醇(DF-PEG)。將DF-PEG作為交聯(lián)劑，利用醛基與殼聚糖分子中的氨基反應生成亞胺鍵合成了具有多重響應性能的殼聚糖水凝膠，芳香類亞胺鍵的高穩(wěn)定性顯著提高了水凝膠的力學性能，并賦予了該水凝膠優(yōu)異的自修復性能。Du等[51]分別對殼聚糖和葡聚糖進行疏水化改性和氧化處理，并以這兩種生物基高分子衍生物為原料通過亞胺鍵和疏水相互作用交聯(lián)制備了可注射、自愈合、高黏附性的水凝膠敷料，其中殼聚糖上的疏水烷基鏈和季銨鹽結構具抗菌止血的功能。不同于其它生物基水凝膠，殼聚糖基水凝膠大多利用氨基質(zhì)子化形成的季銨鹽結構以及氨基與醛基形成的亞胺鍵實現(xiàn)動態(tài)交聯(lián)和功能化。

2.3 多肽或蛋白質(zhì)基水凝膠

圖3 兩種蠶絲蛋白AaSF和BmSF混合原位成膠示意圖[53]

自組裝是多肽和蛋白質(zhì)構筑物理凝膠的主要驅動力，在自組裝過程中，可以通過改變體系溫度、組分、溶劑等因素對水凝膠的結構進行有序調(diào)控。為了進一步提高多肽和蛋白質(zhì)基水凝膠的力學性能和功能特性，眾多研究中更加關注化學交聯(lián)多肽和蛋白質(zhì)基水凝膠。Jivan等[55]通過使用兩個正交點擊反應，即硫醇-馬來酰亞胺Michael加成反應和硫醇-降冰片烯點擊反應，從線性前驅體制備PEG-多肽水凝膠。通過Michael加成反應快速形成降冰片烯功能化的PEG-多肽嵌段共聚物，隨后采用二硫醇交聯(lián)劑將其光交聯(lián)成水凝膠。制備的PEG-多肽水凝膠具有高度可調(diào)的理化性質(zhì)和良好的細胞相容性。

為了獲取更加復雜的三維凝膠網(wǎng)絡結構，近年來出現(xiàn)了含多肽和蛋白質(zhì)自組裝的物理/化學雙重交聯(lián)水凝膠，多肽和蛋白質(zhì)不但參與了凝膠網(wǎng)絡的構建和對網(wǎng)絡結構的控制，而且還賦予了水凝膠特定的功能，如酶降解和促進組織修復等。Wang等[56]選用了一種類彈性蛋白(ELP)的氨基酸序列，通過控制氨基酸序列特定部位的化學交聯(lián)和物理自組裝過程的相對時間，實現(xiàn)了三維“珠串”微結構水凝膠的有效制備和調(diào)控(圖4)，該ELP水凝膠可用于親水性和疏水性藥物的雙重負載。多肽或蛋白質(zhì)基水凝膠具有良好的生物活性，可在酶的催化作用下降解吸收，在生物體內(nèi)無毒副作用，在藥物傳遞和可植入電子器件等生物醫(yī)用領域有廣闊的應用前景。

圖4 三維“珠串”微結構ELP水凝膠化學共價交聯(lián)和溫控誘導自組裝示意圖[56]

2.4 其它生物基水凝膠

生物基水凝膠不僅局限于纖維素類、甲殼素類和多肽類，大部分天然高分子，包括淀粉、海藻酸鹽、卡拉膠等均可通過物理交聯(lián)或化學交聯(lián)的方式構筑功能性生物基水凝膠。

淀粉是自然界中儲量豐富的碳水化合物，廣泛存在于植物種子、葉子、塊莖、根、果實和花粉之中[57]。淀粉基水凝膠的合成方法主要是以淀粉與高聚物共混的方式構筑三維網(wǎng)絡結構。Maity等[58]將淀粉與反應單體混合并進行共聚，經(jīng)交聯(lián)固化后制得水凝膠，隨著淀粉的含量增加，水凝膠的親水性增強，溶脹率提高，Cu(II)和Cd(II)的最大吸附量分別為214.5和193.9 mg/g。González等[59]通過Diels-Alder反應將呋喃化改性淀粉與雙馬來酰亞胺交聯(lián)合成淀粉基水凝膠。通過向該凝膠體系中引入納米石墨烯構筑納米復合凝膠，可顯著提高水凝膠的機械性能、抗菌性能和導電性能。

海藻酸是海藻多糖的主要品種，是由海帶、藻類等提取的天然多糖碳水化合物。海藻酸鈉可以在溫和條件下和多價陽離子通過離子鍵交聯(lián)成水凝膠，以Ca2+為交聯(lián)點可以合成含水量高達90%～95%的水凝膠，當Ca2+含量較低時形成觸變性水凝膠，隨著Ca2+含量的增加，凝膠網(wǎng)絡結構的穩(wěn)定性逐漸提高，最終形成永久性水凝膠[60-61]。Chen等[62]以改性海藻酸鈉和丙烯酰胺為原料，通過氫鍵、亞胺鍵等方式交聯(lián)制備水凝膠, 如圖5所示。物理相互作用和化學共價交聯(lián)可以同時提高水凝膠的強度和韌性，可逆動態(tài)共價鍵的引入也賦予了水凝膠自愈合性能。

圖5 海藻酸鈉與丙烯酰胺通過動態(tài)可逆共價鍵交聯(lián)的方式合成水凝膠[62]

除海藻酸鹽外，卡拉膠是另一種藻類提取的天然高分子材料，是一種水溶性非均一多糖?？ɡz主要通過與其它材料復合，利用其它水凝膠的協(xié)同增效作用和化學改性構筑復合水凝膠。Wu等[63]利用卡拉膠的離子相互作用和聚丙烯酰胺的共價交聯(lián)網(wǎng)絡制備了高透明度和高拉伸性復合水凝膠，其可承受各種機械變形，包括高達1 200%的應變、大范圍彎曲和扭曲等?；瘜W交聯(lián)的水凝膠網(wǎng)絡雖具有優(yōu)異的機械性能，但化學交聯(lián)的不可逆性和有毒化學交聯(lián)劑的使用限制了相關水凝膠在生物醫(yī)學領域的應用。Deng等[64]通過雙物理交聯(lián)網(wǎng)絡結構制備了具有優(yōu)異機械性能的卡拉膠基水凝膠。該雙網(wǎng)絡結構由丙烯酰胺-甲基丙烯酸十八烷基酯共聚物的疏水作用和卡拉膠的離子靜電作用組成，合成的復合水凝膠具有良好的斷裂拉伸應力(1 320±46)kPa和韌性(斷裂能(6 900±280)kJ/m3)。

3 生物基水凝膠的應用

3.1 生物醫(yī)學領域

3.1.1作為藥物緩釋和靶向傳輸?shù)妮d體 生物基水凝膠具有類似于人體組織結構的黏彈性和適宜的機械性能，已成為組織工程支架的理想材料；其豐富的孔隙結構和良好的保水性也適于藥物的封裝和緩釋，在藥物輸送領域具有廣泛的應用潛力。在凝膠制備過程中，通過引入刺激響應性基團，可以實現(xiàn)凝膠在特定條件或特定位置可逆轉化并釋放藥物，從而提高藥物利用率。在水凝膠網(wǎng)絡結構中引入不同含量的纖維素或甲殼素納晶，既可以起到增強效果，又可以改變凝膠網(wǎng)絡結構和形貌，可有效調(diào)控水凝膠結構中的藥物釋放。

溫敏和pH響應性水凝膠是藥物輸送研究中常用的兩類刺激響應性水凝膠。溫敏水凝膠結構的共同特征是存在溫度響應性疏水基團，如甲基、乙基、丙基等。隨著溫度升高，疏水鏈段之間通過疏水相互作用的共聚體鏈締合增強，導致水凝膠收縮。當在纖維素、殼聚糖等天然高分子上接枝N-異丙基丙烯酰胺或N-乙烯基己內(nèi)酰胺時，水凝膠隨著溫度升高溶脹率下降，可作為“啟/閉”型藥物釋放材料[65-67]。由于人體胃腸道中的pH范圍為1～7.5，其中唾液5～6、胃1～3、腸6.6～7.5和結腸6.4～7.0，pH值響應性水凝膠在靶向藥物釋放領域具有巨大的潛力[7]。Chang等[68]制備了pH值響應性殼聚糖/聚乙烯醇水凝膠用于抗腫瘤藥物氟尿嘧啶的可控釋放研究，當pH值為7.4時，該水凝膠具有優(yōu)良的藥物保持能力及抑制藥物細胞毒性的作用，可作為注射藥物載體對腫瘤細胞進行原位局部靶向治療。

3.1.2作為生物組織工程的修復材料 生物基水凝膠網(wǎng)絡中含有大量的水分，同時具有很好的生物相容性和可降解性，是理想的生物組織工程修復材料。作為組織工程的水凝膠支架需滿足一定技術標準，包括易加工性、生物降解性、生物相容性、生物活性和細胞黏附性等，以有效地發(fā)揮作用并促進新組織的形成。Zhao等[69]利用羧甲基殼聚糖和無定型磷酸鈣合成了一種新型納米粒子復合水凝膠, 如圖6所示。該水凝膠具有良好的生物相容性，可作為組織支架有效支持充質(zhì)干細胞增殖和細胞黏附。應用研究表明：該復合水凝膠可顯著提高骨再生的效率和成熟度，同時抑制了長期異位成骨模型中的骨吸收過程。此外，該水凝膠自身也具有骨誘導性，可誘導間充質(zhì)干細胞中成骨細胞調(diào)節(jié)因子和骨標記物的表達。

圖6 纖維素基水凝膠的礦化原理[69]

Wang等[70]先將海藻酸鈉溶液浸漬到脫木質(zhì)素木材中，然后引入鈣離子，通過靜電相互作用交聯(lián)制備了水凝膠，并以此為沉積模板原位礦化羥基磷石灰納米晶，制備了具有高強度和骨傳導性能的各向異性水凝膠復合材料。該水凝膠良好的生物相容性,羥基磷石灰納米晶體有序排列可以促進前成骨細胞增殖和分化并誘導骨成形，可作為支架用于骨修復。Xu等[71]利用溶劑置換法制備了純纖維素物理水凝膠，并以此為基體通過界面聚合，在其表面原位生成了具有層級結構的聚苯胺微米納粒子，聚苯胺的引入賦予了該水凝膠優(yōu)良的導電性能，可用于誘導神經(jīng)元黏附和定向延伸，有助于促進神經(jīng)修復和再生。纖維素水凝膠作為載體起到了骨架支撐作用，并憑借良好的生物相容性和柔韌性在神經(jīng)支架材料方面表現(xiàn)出巨大的應用潛力。Wei等[72]以殼聚糖和海藻酸鈉的衍生物為原料，通過席夫堿反應形成動態(tài)可逆交聯(lián)，制備了具有可注射和自愈合特性的水凝膠，將其作為細胞培養(yǎng)基用于神經(jīng)干細胞的體外增殖分化，不僅可以檢測細胞生長情況，還可有效解決植入過程中細胞流失和剪切受損等問題，并且該水凝膠具有類似于腦組織的機械強度，移植到小鼠體內(nèi)后可繼續(xù)作為三維支架，為細胞增殖提供有利環(huán)境。

利用水凝膠類似于人體組織的理化性質(zhì)，結合生物基材料良好的生物相容性，制備的生物基水凝膠敷料不僅具有良好的柔韌性、黏彈性、透氣保濕性，還能夠阻隔細菌感染，促進傷口愈合[3]。吳述平[73]制備了殼聚糖/半纖維素/TiO2納米顆粒復合水凝膠。該水凝膠具有優(yōu)良的止血功能和抗菌活性，其對兔耳動脈創(chuàng)面止血時間為1 min，傷口的出血量僅為0.08 g，明顯優(yōu)于市場上同類產(chǎn)品明膠海綿和止血海綿。同時，該水凝膠還具有優(yōu)良的生物相容性和抗菌性能，對肺炎雙球菌和金黃色葡萄球菌的抑菌率接近100%。Dantas等[74]系統(tǒng)評估了海藻酸鈉/殼聚糖復合水凝膠薄膜對大鼠機體燒傷創(chuàng)面愈合的改善作用，通過與未處理實驗組、單一纖維素膜處理實驗組以及激光輔助治療實驗組進行對比分析發(fā)現(xiàn)：激光輔助療法的海藻酸鈉/殼聚糖復合水凝膠敷料可有效促進皮膚的膠原化過程、上皮和血管形成，顯著改善了燒傷愈合效果。Cheng等[75]以硫醇化修飾的牛血清蛋白為主要原料，通過巰基與銀離子的配位交聯(lián)成功構建了具有血管化和抗菌能力的可注射多肽-蛋白質(zhì)水凝膠，以此模擬細胞外基質(zhì)用于傷口愈合,如圖7所示。

圖7 蛋白質(zhì)基抗菌水凝膠合成原理及應用示意圖[75]

實驗結果顯示：銀離子不僅具有抗菌特性，還可以接枝含有硫醇基團K2(SL)6K2(KK)活性多肽，賦予水凝膠血管化能力，該水凝膠在傷口愈合的早期能夠促進皮膚的膠原蛋白沉積和血管再生，進而加速傷口愈合。Mao等[76]以細菌纖維素水凝膠為基體，通過原位沉積的方式引入明膠和硒納米粒子，構筑了具有顯著抗菌、抗氧化和抗炎能力的多功能納米復合水凝膠，用于傷口愈合。該水凝膠除了具有良好的物理機械性能和生物活性，還能夠對負載物進行持續(xù)緩釋；同時，對于膠原蛋白沉積和肉芽組織生成具有顯著功效，能夠有效地避免傷口感染，促進皮膚再生。

3.2 材料領域

水凝膠的三維網(wǎng)絡結構為金屬離子和染料分子的滲透提供了通道，其多孔結構為吸附質(zhì)的富集提供了足夠的空間，生物基材料表面的羥基、羧基、氨基、磺酸基等官能團作為活性位點通過靜電相互作用為吸附提供了驅動力，因此，生物基水凝膠可以作為吸附材料用于污染物的分離[3]。被吸附離子或分子與凝膠中的官能團主要有以下3種不同的相互作用方式：1)N和(或)O的孤對電子與金屬離子之間的絡合作用[77-78]；2)凝膠網(wǎng)絡中質(zhì)子化的氨基、羧基等各種陰、陽離子之間的靜電相互作用或離子交換作用[79-80]；3)以絡合金屬作為成核位點的金屬離子結晶[77,81]。

Ma等[82]以廢舊棉紡織品、AM為原料，BIS為交聯(lián)劑，制備了一系列纖維素基復合水凝膠。該復合水凝膠具有多孔和片層結構，賦予其對Cd2+，Cu2+和Pb2+等重金屬離子優(yōu)異的吸附性能和良好的可重復使用性。Tan等[83]以含氨基的水溶性桃膠多糖為原料，表氯醇為交聯(lián)劑，通過化學交聯(lián)構筑了桃膠多糖基水凝膠，該水凝膠對Cr6+離子吸附符合準二級動力學和Langmuir等溫模型，最大吸附容量可達188.32 mg/g，對Cr6+的去除效率高于 99.5%。除重金屬離子外，工業(yè)廢水中印染廢水也占有較大的比例，印染廢水中的陰、陽離子染料可通過水凝膠吸附來處理。Qiu等[84]通過自由基聚合法制備了聚丙烯酰胺/海藻酸鈉接枝蒙脫土高吸水性復合水凝膠，其對陽離子染料亞甲基藍的最大吸附量高達2 639 mg/g，遠高于聚丙烯酰胺/蒙脫土復合水凝膠的亞甲基藍最大吸附量(1 954 g/L)。Yan等[85]通過溫控誘導，以羥丙基纖維素為原料，環(huán)氧氯丙烷和氨作為交聯(lián)劑，在堿性條件下合成了微孔水凝膠。在季銨鹽和染料陰離子之間強靜電相互作用條件下，該陽離子型水凝膠對陰離子染料如甲基橙具有優(yōu)異的吸附能力，最大吸附量達到2 478 mg/g。

通過化學改性在水凝膠體系中引入功能性基團或添加無機納米填料進行復合，可有效提高生物基水凝膠的吸附選擇性和吸附量。Chatterjee等[86]研究發(fā)現(xiàn)，含有0.01%(質(zhì)量分數(shù))碳納米管的殼聚糖基復合水凝膠對剛果紅的吸附能力比未加碳納米管的殼聚糖水凝膠高2.5倍。Yan等[87]采用氯乙酸對殼聚糖水凝膠微粒進行醚化改性，可有效提高該水凝膠對Cu2+的選擇性吸附。Nata等[88]制備了一種易收集的纖維素/胺化Fe3O4復合水凝膠，氨基在低pH值條件下的質(zhì)子化可有效提高其對金屬離子的吸附性能。

3.3 其它應用

生物基水凝膠在產(chǎn)品包裝、驅動傳感、光電催化等領域也具有巨大的潛在應用價值。Gregorova等[89]以聚乙烯吡咯烷酮和CMC為原料，制備了具有柔韌、透明、保水、透氣、可生物降解等性能的復合水凝膠薄膜，可用作環(huán)保型包裝材料。離子型生物基復合水凝膠如CMC/殼聚糖、纖維素海藻酸鹽等，具有較高的環(huán)境敏感性，會對pH值、離子強度和電場等外部刺激因素做出響應，水凝膠兩側差異性收縮潤脹在內(nèi)部產(chǎn)生不對稱應力，使水凝膠表現(xiàn)出固定形變，可用作微傳感器或制動器。此外，也有相關研究利用生物基水凝膠的介電性能，通過原位沉積聚合或層壓復合等方式將水凝膠表面與導電材料復合，用于組裝超級電容器。生物基水凝膠三維網(wǎng)絡結構不僅可以作為電解液的流動通道，還提供骨架支撐作用和機械強度，起到固定電解質(zhì)的作用。Sheng等[90]以海藻酸鈉作為固體電解質(zhì)、以非晶氧化鉬作為電極組裝了可降解的超級電容器，用于可植入醫(yī)療電子器件。利用四唑鹽(MTT)比色法對該器件所用材料進行了細胞毒性的評估，結果顯示：氧化鉬微納米片和海藻酸鈉電解質(zhì)具有較高的生物相容性，器件封裝后，在模擬體液環(huán)境(37 ℃，0.1 mmol/L 磷酸緩沖鹽溶液)中可以有效工作 30 d，任務完成后會在體內(nèi)完全降解。

生物基水凝膠作為Ag[91]、Au[92]、Pd[93]和TiO2[94]等金屬粒子的載體，在催化領域也有廣闊的應用前景。水凝膠之所以能夠穩(wěn)定負載無機催化劑，除了充分利用其本身多孔結構和高比表面積外，還得益于水凝膠網(wǎng)絡表面的羥基、羧基、胺基等活性官能團，這些基團能和金屬離子或納米顆粒絡合配位，從而使得催化劑被螯合固定在凝膠網(wǎng)絡表面。Yang等[95]在沒有使用任何還原劑、分散劑的條件下，在細菌纖維素水凝膠的三維網(wǎng)絡結構中原位合成Ag納米顆粒，制備了銀納米顆粒摻雜的細菌纖維素納米多孔膜。由于其獨特的納米多孔結構，所制備的膜對兩種典型的有機染料(羅丹明6G和甲基橙)表現(xiàn)出高效的連續(xù)催化脫色，而且它具有優(yōu)異的可回收性，即使在重復使用10次后，脫色效率仍保持在99%。

4 總結與展望

隨著水凝膠應用領域的拓展，單一的交聯(lián)結構已經(jīng)不能滿足其使用過程中的機械性能要求?；ゴ┚W(wǎng)絡結構在水凝膠交聯(lián)體系中有良好的發(fā)展前景，其中化學交聯(lián)提供強度，而物理交聯(lián)作為“犧牲鍵”提供韌性，雙網(wǎng)絡交聯(lián)結構獨特的能量耗散機制使水凝膠的機械性能明顯提升。此外，由動態(tài)共價鍵或其他超分子相互作用產(chǎn)生的可逆交聯(lián)結構，在水凝膠可注射、自修復、形狀記憶等性能的開發(fā)和研究中也逐漸得到關注。

近年來，生物基水凝膠材料在基礎研究取得一系列顯著成果的同時，實際應用也面臨著諸多挑戰(zhàn)，比如開發(fā)無細胞毒害性的交聯(lián)劑和改性劑，提高刺激響應速率和識別精準度，提高吸附量和負載量，改善其抗疲勞性和極限環(huán)境適應性等。結合時代發(fā)展趨勢，對水凝膠未來開發(fā)利用作了以下展望：1)以生物基水凝膠模擬細胞質(zhì)外基質(zhì)微環(huán)境進行細胞培養(yǎng)，并利用水凝膠流變特性和自愈合性能，結合4D打印技術，對生物組織進行體外誘導增殖和可控生長，有望實現(xiàn)器官或組織再生和移植。2)刺激相應性水凝膠目前已能夠針對pH、溫度等多種物理化學信號作出響應，但是對激素、神經(jīng)信號等生物信號的刺激響應性鮮有報道，生物信號響應性或將成為醫(yī)用水凝膠的研究熱點。3)水凝膠三維網(wǎng)絡結構含有大量親水基團，在海水淡化、油水分離、污水凈化、水收集等方面有廣闊的發(fā)展前景；同時，生物基材料來源廣泛、成本低廉、可自然降解，可廣泛應用于農(nóng)業(yè)、工業(yè)等基礎行業(yè)。隨著研究的不斷深入、制備工藝的完善以及凝膠性能的提高，相信不久的將來，生物基水凝膠材料將在多個領域逐步得到應用。