基于电场敏感的智能水凝胶研究进展

孟鑫 刘勇 王富平 刘澜 陈忠敏

一、前言

水凝胶以水为分散介质，具有一定的含水量和灵活性[1]。在外界环境下受到如温度[2]、酸碱度（pH值）[3]、磁场[4]、电[5]、光[6]、力的某种刺激时，能够发生自身形态可逆变化的水凝胶称为智能水凝胶。由于智能水凝胶在外部刺激时会发生突跃式变化，即体积相转变，因此在灵敏传感领域具有广阔的应用前景[7]。

与其他刺激因素相比，电场刺激操作简单且易调控，所以具有电场敏感性的智能水凝胶相比于其他类型水凝胶具有较大的优势。在电场作用下，电场敏感型水凝胶产生收缩变形，将电能转化为机械能。这种功能使得电敏水凝胶可以应用在仿生驱动器、药物缓释以及人工肌肉等领域。本文介绍了近几年来电场敏感水凝胶的制备原料与方法、电场敏感水凝胶响应机理以及其在人工肌肉、药物缓释等方面的应用。

二、电场敏感性水凝胶制备

电场敏感性水凝胶是由聚电解质物质构成，网络中具备可离子化的基团是凝胶材料具有电敏反应的重要条件[8]，分子链上具有离子基团的合成高分子或天然高分子通常可以通过共聚或共混形成电场敏感性水凝胶[9]。根据材料来源的不同，电敏水凝胶可分为2类：一类是合成高分子材料为基材的水凝胶；另一类是天然高分子材料作为基材的水凝胶。

1.基于合成高分子的电敏水凝胶

1965年，Hamlen等[10]发现制备的离子化聚乙烯醇（PVA）水凝胶在电场刺激下发生了变形，这是最早关于电敏水凝胶的报道。后来，研究学者们对各种类型的合成高分子电敏水凝胶进行了制备并对它们在电场中的敏感行为进行了研究。常见的聚电解质高分子材料为聚丙烯酰胺、聚丙烯酸类和碳纳米管类。

（1）聚丙烯酰胺类电场敏感水凝胶

丙烯酰胺（AM）为非离子型单体，含有亲水的酰胺键，其聚合活性比较高[11]。最早在1982年，Tanaka等[12]发现制备的聚丙烯酰胺凝胶在丙酮/水（1∶1体积比）的混合溶液中接触电场后，凝胶材料靠近电场阳极的那一端发生不连续的体积变化，因此他们认为聚丙烯酰胺是聚电解质物质，可以构成电敏水凝胶。Irie等[13]利用聚丙烯酰胺制备了包含三苯甲烷无色母体衍生物的电场敏感和光敏感的复合凝胶。Kulkarni等[14]人制备了聚丙烯酰胺接枝黄原胶（PAAm-g-XG）水凝胶，通过对切除的大鼠腹部皮肤进行体外药物渗透研究发现，该水凝胶具备电刺激响应性药物传递功能。肖林飞等[15]采用水溶液聚合法合成了聚二甲基二烯丙基化铵/丙烯酰胺（PAM/DMDAAC）敏感性水凝胶，并研究了其在不同质量分数氯化钠（NaCl）溶液、不同pH值溶液和直流电场中的敏感性行为。

（2）丙烯酸类电场敏感水凝胶

丙烯酸作为合成高分子单体，由羧基及乙烯基组成，可被用来制备凝胶体[16]，陈建丽等[17]选择丙烯酸为基本原料，分别制备了壳聚糖/丙烯酸互穿网络结构水凝胶、铁离子（Fe3+）辅助交联丙烯酸水凝胶、铝离子（Al3+）辅助交联丙烯酸水凝胶，并在有无电场条件下制得水凝胶来研究其电场响应性能，实验证明3种水凝胶对外部电场刺激产生正响应，且Al3+辅助交联丙烯酸水凝胶的响应强度要高于Fe3+的辅助交联丙烯酸水凝胶。由于一些合成高分子电场敏感水凝胶的原料是共聚物，一般采用自由基共聚法、离子共聚法进行共聚物的制备。

Alexander团队[18]通过自由基共聚制备了乙基-3-氨基-丁烯酸酯和丙烯酸共聚的两性聚电解质水凝胶，在非接触电场中，凝胶内部由于pH值梯度场的不同发生收缩。

费建奇等[19]选用过硫酸胺作为引发剂，在聚丙烯醇PVA水溶液中原位聚合丙烯酸单体。制备了物理缠结和氢键固定网络形式的PVA/丙烯酸树脂（PAA）水凝胶纤维。电场响应性随电场强度和凝胶网络中PAA含量的增加而增大。

研究者们通过向水凝胶中添加导电聚合物来提高电场灵敏性。Moschou等[20]将聚吡咯炭黑添加到丙烯酰胺和丙烯酸共聚物水凝胶中，通电后发现水凝胶在电场中的弯曲程度随着水凝胶中羧基含量的增加而增加。

（3）碳纳米管类电场敏感水凝胶

碳纳米管作为一维纳米材料，具有优异的力学、电学和热学等性能。Fukushima[21]团队发现碳纳米管在离子液体中易于分散，于是将离子液体和碳纳米管混合，制备出物理凝胶，将物理凝胶作为电极，可以产生快速的弯曲形变，这为制备高强度、高灵敏度电场敏感水凝胶提供了新的思路。

Guo等[22]将多壁碳纳米管羧基化处理后与氢氧化钠（NaOH）水溶液混合，制备出了多壁碳纳米管羧酸钠盐（MWNT-COONa），然后与聚乙烯醇（PVA）溶液共混，经过反复冻融得到MWNT-PVA复合水凝胶。在电场作用下，该水凝胶表现出较强的电响应驱动性能。

Lu课题组[23]通过将碳纳米管分散入天然壳聚糖溶液构筑了具有生物兼容性的离子型驱动器凝胶，该水凝胶在电压为±3V时，平均致动位移速率高达2mm/s。

Park等[24]制备了明胶-多壁碳纳米管水凝胶薄膜，该薄膜在NaCl水溶液中可以发生弯曲运动。

作者认为碳纳米管具有优异的力学、电学性能，添加到离子溶液中制备出的物理凝胶能够具有较好的电响应性能以及较好的机械性能。

（4）其他合成高分子类电场敏感水凝胶

电场敏感性水凝胶具有电敏反应的重要条件就是构成其聚电解质物质网络中有可离子化的基团，在理论上，合成高分子的分子链上带有可电离的离子性基团都可以作为电敏水凝胶的原料。龚涛等[25]采用自由基聚合法，以AMPS（2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸）、DMAEMA（甲基丙烯酸N，N-二甲氨基乙酯）和NIPAAm（异丙基丙烯酰胺）为单体，制备出AMPS/NIPAAm/ DMAEMA三元聚合物水凝胶，该水凝胶中在NaCl溶液中受到电场作用能發生快速弯曲，并且随着AMPS单体越多，最大弯曲角越大。

2.基于天然高分子的电场敏感凝胶

以合成高分子为原料制备的电场敏感性水凝胶电敏性能及力学性能较强，但由于大多数的合成高分子自身带有毒性，生物相容性较差，限制了其在生物医用领域的应用。因此，选择无毒性、生物相容性好的天然高分子制备电敏水凝胶成为近年来的热门研究方向。天然高分子聚电解质主要有壳聚糖、明胶等。

（1）电场敏感壳聚糖水凝胶

壳聚糖是由甲壳素经过脱乙酰基处理后形成的天然多糖，由于其分子链上带有大量的阳离子基团——氨基，因此其具备成为电场敏感性水凝胶的条件。

Shang[26]等制备了壳聚糖/羧甲基壳聚糖、壳聚糖/羧甲基纤维素钠水凝胶，这些水凝胶表现出良好的电场响应行为，弯曲方向随着电解质溶液的pH值的变化而变化。

Kim课题组在电场敏感壳聚糖水凝胶上做了大量的研究，他们通过将壳聚糖天然高分子与合成高分子共混制备了多种电敏水凝胶膜。如壳聚糖/聚苯胺[27]、聚乙烯醇/壳聚糖[28]、壳聚糖/聚烯丙基胺水凝胶[29]，这些电敏水凝胶在电场作用下都具有良好的电场感应性，在电解质溶液中发生弯曲或收缩运动。

邓胡军[30]等制备出具有pH、电场双敏感性双网络智能水凝胶。首先戊二醛交联壳聚糖（CS）得到刚性网络，再与聚乙二醇马来酸酐双酯（mah PEGmah）与N-乙烯基吡咯烷酮（VP）的共聚物交联成柔性网络，他们发现制备的电敏水凝胶具有明显的电场敏感性能并且水凝胶的电敏程度受到CS交联度的影响。在制备电敏水凝胶时对壳聚糖进行改性也可以增强电场敏感性水凝胶的性能。

Song等[31]用2，3-环氧丙基三甲基氯化铵（GTMAC）对壳聚糖分子进行改性，得到改性壳聚糖，在环氧氯丙烷为交联剂的情况下，制备出聚阳离子型电场敏感性2-羟丙基三甲基氯化铵壳聚糖（HACC）水凝胶。在非接触的直流电场下，该水凝胶在NaCl溶液中向电场正极弯曲，其弯曲速度随外加电压的增加而增加。

Sun等通过湿法纺丝，制备了壳聚糖/聚丙二醇[32]和壳聚糖/聚乙二醇[33]水凝胶纤维，研究了它在酸性溶液中的电刺激响应行为。在电压较小的电场中，这类水凝胶纤维，在酸性溶液中表现出良好的快速收缩和弯曲行为。

（2）电场敏感明胶水凝胶

明胶的制备通过动物胶原蛋白水解得到，明胶具有蛋白结构，是两性高分子聚电解质材料，以明胶为材料制备的水凝胶具有较强的电敏感性能。Liu等[34]通过戊二醛交联明胶，制备了明胶水凝胶，实验发现在电场作用下明胶水凝胶在NaCl水溶液中发生弯曲偏转。韩学武等[35]采用明胶为原料，以甲基丙烯酸缩水甘油酯和亚硫酸氢钠为改性剂，明胶分子链上引入强极性磺酸基团，制得一种具有强电场响应的磺化明胶水凝胶，并研究磺酸基对明胶水凝胶电场响应性能的影响。

为了改善明胶水凝胶的电敏性能及力学性能，人们尝试在明胶水凝胶中添加合成高分子实现功能。使用多壁碳纳米管（MWNT）作为明胶中的增强剂已被Li等人研究[36]，他们研究了用MWNT作为添加剂嵌入以增强机械性能的明胶水凝胶。该水凝胶同时具备一定的电敏性能。Thawatchai[37]等将明胶溶液与超声处理的碳纳米管溶液混合，在培养皿中浇铸得到碳纳米管/明胶水凝胶。当施加电场时，明胶链中的极化现象由于MWNT的存在而进一步增强，并且产生更强的静电相互作用。将碳纳米管/明胶水凝胶放置于电极之间的硅油中，施加电场后，反应迅速，偏向阳极。实验结果表明，在MWNT的添加量为0.1%（体积分数）时，偏转角度最大。

（3）其他天然高分子电场敏感水凝胶

电敏水凝胶由聚电解质物质组成，天然高分子中重要的聚电解质除了壳聚糖及明胶外还有海藻酸钠、黄原胶（XG）、透明角质酸，Kim[38]等对制备的聚海藻酸钠/二甲基二丙烯基氯化铵水凝胶进行电敏反应的测试，在0.6%（体积百分比）的盐酸溶液中，给予10V电压，发现其具备良好的重复可逆弯曲行为。

刘根起等[39]选取天然高分子聚电解质物质海藻酸钠和明胶为原料，通过交联作用制备出半互穿聚合物网络膜，在电场作用下，该凝胶膜在NaCl溶液中偏转向电场负极。Kulkarni[40]等制备出电响应性水解聚丙烯酰胺接枝海藻酸钠（H-PAAm-g-SA）膜，在电刺激下，该材料水凝胶在电极附近脱落，具有一定的电场感应性。Kim课题组[41]利用戊二醛作为交联剂，交联透明角质酸溶液和聚乙烯醇溶液的共混溶液，制备出透明质酸和聚乙烯醇水凝胶膜，在电场作用下该水凝胶能够弯曲和伸展，表现出良好的电场敏感性。廖家娥等[42]向凝胶体系中引入聚乙烯醇，再用戊二醛进行交联得到XG/PVA互穿聚合物网络水凝胶，给予电刺激，该凝胶在NaCl溶液中可以发生弯曲，同时凝胶的力学性能也得到了加强。

三、电场敏感性智能水凝胶应用

在电场作用下，电场敏感性水凝胶可以发生收缩、弯曲变形，具备把电能转化为机械能的能力，电刺激变化对电场敏感水凝胶的影响是一个可逆过程，调控方便，使得电场敏感性水凝胶在生物医药、微机械以及仿生工程等领域中具有相当广泛的应用前景。

1.人造肌肉驱动材料

电场敏感性水凝胶可以随着电场的改变而溶胀或收缩，在非接触电场下，水凝胶在电解质液中会发生弯曲响应。Hamlen[10]等发现PVA和PAA-Na凝胶纤维在电刺激作用下发生伸缩现象。由此提出了电场响应型凝胶肌肉模型的概念。Osada等[43]制备了PAMPS凝胶，将其放置十二烷基吡啶氯盐溶液中，在受到电刺激后凝胶向阳极偏转，其运动速度可达25cm/min。近期对电敏水凝胶人工肌肉的研究集中在对聚电解质水凝胶中添加导电聚合物来提高水凝胶的电场敏感性。Fukushima[29]等将碳纳米管加入到离子液体中，通过混合搅拌制备出物理凝胶，该物理凝胶制备的电极间放聚偏氟乙烯-六氟丙烯（PVDF-HFP）支持的离子液体电解质层，在电场作用下该驱动器弯向正极，应变达0.9%。同时该驱动器还具有良好的循环可逆性，在循环电场作用下该驱动器具有良好的可逆性。Moschou[44]等将吡咯/炭黑混合物掺入到PAA/PAM水凝胶中，得到一种仿生驱动器材料。这种材料具有灵敏的电制动性能，在极小的电压下也具有电响应特性。尽管凝胶驱动有了很大发展，但是仍然具有强度低，生物相容性差，而且在电解时会产生气体等限制因素。因为在通常情况下，1.23V的电压足以使水电解，笔者认为电敏水凝胶驱动的驱动环境非常重要，如何設计不易水解又能产生离子迁移的电解质液具有重大意义。

2.药物缓释系统

药物控制释放系统（Drug Control Release System）[45]是载体与活性分子（药物）结合，然后控制药物依照需求剂量释放出来。药物控制释放系统是由2部分构成：药物和载体。由于电场敏感性水凝胶有三维网状结构，并且具有灵敏的电场响应特性，这些特性使得它在药物控释缓释体系中倍受青睐。

水凝胶可作为药物控制释放的载体是因为凝胶网络具有大量的孔隙，这为药物提供了储存和输送的通道。同时通过调整刺激因素使载体高分子或高分子水凝胶发生体积相变，从而实现体内定向给药，即在靶器官周围局部刺激时药物载体发生相变，释出药物[46]。Kulkarni[39]制备的电响应性水解聚丙烯酰胺接枝海藻酸钠（H-PAAm-g-SA）的膜，与被动扩散相比，载药物的释放在电刺激下更大，实验中还发现凝胶的药物释放量与施加的电流强度和RCM的交联密度有关。Spizzirri等[47]在甲基丙烯酸钠和N，N-二亚乙基双丙烯酰胺的存在下，通过乳液聚合成了由明胶和多壁碳纳米管组成的新型球形混合水凝胶，并提出了用于双氯芬酸钠盐的电响应释放的药物递送微球。实验成功地证明了由明胶/CNT混合水凝胶组成的有效的药物递送聚合物载体在电刺激下能够调节双氯芬酸钠盐的释放。药物释放实验证明了复合材料能够随时间控制双氯芬酸钠盐的释放，而且电刺激导致含MWNT的材料的释放进一步增加，这种电响应微粒可以插入合适的局部药物递送装置中，在应用外部电压时从而释放治疗。

四、结语

电场敏感性水凝胶作为一种智能型水凝胶具有广阔的应用前景，不同材料来源所制备的电场敏感性水凝胶各有优缺点，以合成高分子制备的电场敏感性水凝胶具有力学性能强、电场响应灵敏等优点，但缺点也很明显，即生物相容性较差；以天然高分子制备的电场敏感性水凝胶生物相容性好，在医药领域具有广阔的应用前景，但是低的力学性能以及弱的电敏性也一定程度上限制了它们的应用。笔者认为，如何将两者统一的结合起来，研发具有高强度力学性能、极快灵敏反应速度、好的生物相容性的电场敏感水凝胶应成为当下研发的重点。笔者正致力于将电场敏感性水凝胶植入体内代替损伤组织器官运行，其后作为组织工程支架帮助新器官生成的课题研究。这种全方位多层次多功能的结构设计来扩展电场敏感性水凝胶的应用也将是重要的研发方向。

参考文献

[1] 赵玉强，张志斌，刘宁，等.智能水凝胶的应用[J].现代化工，2007，27（3）：66-69.

[2] Chen Jun，Liu Mingzhu，Liu Hongliang，et al.Synthesis and properties of thermo-and pH-sensitive poly（diallyldimethylammonium chloride）/poly（N，N-diethylacrylamide） semi-IPN hydrogel[J].Chemical Engineering Journal，2010，159（1-3）：247-256.

[3] Liu T Y，Lin Yi Ling.Novel pH-sensitive chitosan-based hydrogel for encapsulating poorly water-soluble drugs[J].Acta Biomaterialia，2010，6（4）：1423.

[4] 周宏伟，李学装，姜敏，等.Poly（DMAEMA-co-VP）/Fe3O4纳米复合水凝胶的制备及性能[J].高分子材料科学与工程，2017，33（5）：152-157.

[5] 应晓英.电场响应纳米水凝胶的制备及抗癫痫作用研究[D].浙江：浙江大学，2016.

[6] Mamada A，Tanaka T，Kungwatchakun D，et al.Photoinduced phase transition of gels[J].Macromolecules，1990，23（5）：1517-1519.

[7] Bashir R，Hilt J Z，Elibol O，et al.Micromechanical cantilever as an ultrasensitive pH microsensor[J].Appl.Phys.Lett， 2002，81（16）：3091-3093.

[8] Osada Y，Yamada K，Yoshizawa I.Preparation and electrical properties of plasma- polymerized copper acetylacetonatethin films[J].Thin Solid Films，1987，151（1）：71-86.

[9] 尚婧，陳新，邵正中.电场敏感的智能性水凝胶[J].化学进展，2007，（09）：1393-1399.

[10] Hamlen R P，Kent C E，Shafer S N.Electrolytically Activated Contractile Polymer[J].Nature，1965，206（4989）：1149-1150.

[11] 于立娟.聚电解质研究进展[J].上海塑料，2011（1）：5-8.

[12] Tanaka T，Nishio I，Sund S，et al.Collapse of gels in an electric field[J].Science，l982，218：467-469.

[13] Irie M，Kunwatchakun D.Photoresponsive polymers 8 Reversible photostimulated dilation of polyacrylamide gels having triphenylmethane leuco derivatives[J].Macromolecules，1986，19（10）：2476-2480.

[30] 邓胡军，叶元坚，王万卷，等.壳聚糖/聚乙二醇马来酸酐双酯-N-乙烯基吡咯烷酮双网络水凝胶的力学性能增强及智能响应性[J].高分子材料科学与工程，2015，31（02）：81-87.

[31] Song Jinyue，Liu Genqi，Yang Shiwen.Electroresponsive Behavior of 2-Hydroxypropyltrimethyl Ammonium Chloride Chitosan Hydrogel Under DC Electric Field[J].Journal of Macromolecular Science Part A，2010，48（2）：164-168.

[32] Sun Shan，Wong Y W，Yao Kangde，et al.A study on mechano-electro-chemical behavior of chitosan/poly（propylene glycol） composite fibers[J].Journal of Applied Polymer Science，2015，76（4）：542-551.

[33] Sun Shan，Mak A F T.The dynamical response of a hydrogel fiber to electrochemical stimulation[J].Journal of Polymer Science Part B Polymer Physics，2015，39（2）：236-246.

[34] 刘根起，赵晓鹏，唐韬.明胶水凝胶电刺激响应行为的研究[J].高分子学报，2003，（3）：398-402.

[35] 韩学武，戴文卿，高玫香，等.磺化明胶水凝胶的制备及其电场响应性能[J].功能高分子学报，2016，29（3）：335-340.

[36] Li He，Wang Diqiang，Chen Hualin，et al.Synthesis of a novel gelatincarbon nanotubes hybrid hydrogel[J].Colloids & Surfaces B Biointerfaces，2004，33（2）：85-88.

[37] Thawatchai T，Nispa S，Datchanee P，et al.Electromechanical properties of multi-walled carbon nanotube/gelatin hydrogel composites：effects of aspect ratios，electric field，and temperature[J]. Materials Science & Engineering C Materials for Biological Applications，2015，46：281-289.

[38] Kim S J，Yoon S G，Sang M L，et al.Characteristics of electrical responsive alginate/poly（diallyldimethylammonium chloride）IPN hydrogel in HCl solutions[J].Sensors & Actuators B Chemical，2003，96（1）：1-5.

[39] 刘根起，赵晓鹏.明胶-海藻酸钠半互穿聚合物网络膜及其电刺激响应行为的研究[J].功能材料，2003，34（4）：473-475.

[40] El-Din Horia M.Nizam，ElNaggar Abdel Wahab M.Polyacrylamide-g-alginate-based electrically responsive hydrogel for drug delivery application：Synthesis， characterization，and formulation development[J].Journal of Applied Polymer Science，2010，115（2）：1180-1188.

[41] Kim S J，Yoon S G，Lee Y M，et al.Electrical behavior of polymer hydrogel composed of poly（vinyl alcohol）-hyaluronic acid in solution[J].Biosensors & Bioelectronics，2004，19（6）：531.

[42] 廖家娥，劉根起，向煜，等.黄原胶/聚乙烯醇互穿网络水凝胶的电刺激响应行为[J].高分子材料科学与工程，2013，29（04）：93-96，100.

[43] Osada Y，Okuzaki H，Hori H.A polymer gel with elect rically driven motility[J].Nature，1992，355（6357）：242-244.

[44] Moschou E A，Peteu S F，Bachas L G，et al.Artificial Muscle Material with Fast Electroactuation under Neutral pH Conditions[J].Chemistry of Materials，2004，16（12）：2499-2502.

[45] Kim Y H，Tabata Y.Dual-controlled release system of drugs for bone regeneration[J].Advanced Drug Delivery Reviews，2015，94：28-40.

[46] 潘玉妹，徐坚，陈强，等.智能水凝胶在生物载药领域的研究进展[J].化工进展，2016，35（s1）：202-208.

[47] Spizzirri U G，Hampel S，Cirillo G，et al.Spherical gelatin/CNTs hybrid microgels as electro-responsive drug delivery systems.[J].International Journal of Pharmaceutics，2013，448（1）：115-22.