强韧型凝胶及其功能化研究进展

郭 坤，舒浩然，刘剑桥，雍 媛，王晓玲

(1.西南民族大学药学院，四川 成都 610041；2.西南民族大学化学与环境保护工程学院，四川 成都 610041)

凝胶是一类在空间上具有三维网络结构的高分子软物质，能吸收分散介质但又不在介质中溶解是凝胶最大的特点.凝胶的分散介质大多数是水，也有其他液体如离子液体或气体，当网络结构中充满大量气体时称为干凝胶.自1960年Wichterle等[1]以交联法制备了聚羟乙基甲基丙烯酸酯聚合物，该硬质高聚物吸水后具有弹性，与琼脂、豆腐等寻常物质的性状相似，故而称之为水凝胶.自此水凝胶以其良好的亲水性和生物相容性受到研究者的关注，逐渐发展成为一种有别于传统硬材料的新材料，广泛应用于医疗卫生、工农林业及美容行业[2-14].本文从凝胶的构筑方式出发，综述了强韧型凝胶及其功能化的研究进展及其应用，对功能性凝胶材料的构筑和设计进行总结与分析，重点介绍了响应性和自愈合功能凝胶的研究进展，为功能性凝胶材料的构筑和设计提供理论指导，并对其未来的发展前景进行展望.

现有的凝胶按来源主要分为两大类，一类是天然高分子凝胶及其改性衍生物，主要包括蛋白类和多糖类[15-18]，如胶原蛋白、明胶、壳聚糖、透明质酸及交联葡聚糖等;另一类是合成高分子凝胶，主要包括聚乙二醇、聚乙烯醇[19]、聚氧乙烯[20]，聚丙烯酸体系[3]、聚丙烯酰胺体系[21]及聚丙烯腈体系[22].按照高分子链的键合作用力的种类，水凝胶可以分为物理凝胶和化学凝胶.物理水凝胶，是指高分子链通过非共价键(如氢键[23]、静电相互作用[24]、配位作用[25]、主客体相互作用[26]等)相互联结而形成的凝胶，通过物理作用力形成的凝胶是非永久的.化学水凝胶，是通过单体聚合或化学交联形成的聚合物凝胶，化学键合交联形成的凝胶大多是永久性的[1，27].从这个意义上讲，通过物理作用力或化学交联形成的凝胶都是合成高分子凝胶，是目前凝胶研究的重点.当然也有将天然凝胶和合成高分子进行杂化，比如基于壳聚糖[17]、基于海藻酸盐[28]、环糊精[29]和纤维素[30]的水凝胶的研究，也是凝胶研究的热点之一.

1 高强度凝胶的构筑方式和研究进展

凝胶的应用范围广泛，研究前景可观.但是，目前大部分利用天然或合成材料制得的凝胶机械性能很差，在较小的应力下就会造成材料的破碎或者断裂，其实际应用价值受到限制[31-32].因此提高凝胶的机械强度是关于水凝胶研究的重点方向之一[33]，目前，提高凝胶机械强度的方法主要有：增加交联密度、引入纳米粒子或纤维增强剂、双重网络及互穿网络凝胶、设计拓扑型结构、引入大分子微球复合物等.

1.1 大分子微球复合物凝胶

大分子微球由于比表面积大、吸附性强、表面活性高等特点已经成为聚合物材料中的一种重要结构，可广泛应用于医学检测、固定化酶和药物输送等领域.当微球内部包载诸如磁性粒子、荧光剂，或者微球表面负载一些功能基团，如氨基、羟基、羧基、磺酸基等，则可以获得一系列功能化微球.以载有药物的大分子微球作为聚合物凝胶的交联点形成高强度的宏观凝胶材料，是一种一举两得的构筑高强度凝胶的新方法.Huang等人[34]通过γ-射线的辐射将大分子微球表面氧化，以之为引发剂和交联剂，与单体进行聚合，机理简单，增韧效果显著(图1).

1.2 互穿网络及双网络凝胶

互穿网络凝胶(IPN gel)是指两种或两种以上的凝胶网络结构相互贯穿、相互缠结形成的三维网络结构的复合凝胶.互穿网络中的组分网络之间不存在化学键合作用，是相对独立的.Gong等[35]在2003年首次提出了双重网络凝胶(double-network gel，DN gel)的概念，该报道中，采用的两种聚合物是非对称结构，聚合物之间互穿形成一种特殊的网络结构凝胶.Wang等人[36]利用2-丙烯酰胺-2-甲基丙磺酸与丙烯酰胺的共聚物[P(AMPS-co-AM)]以及2-丙烯酰胺-2-甲基丙磺酸与异丙基丙烯酰胺的共聚物[P(AMPS-co-NIPAM)]作为初级网络(PN hydrogel)，再将聚丙烯酰胺(PAM)作为第二级网络，构筑了互穿网络水凝胶(IPN hydrogel).制备得到的 P(AMPS-co-AM)/PAM IPN水凝胶在98%压缩形变下竟能达到91.8 MPa的压缩强度，比对应的初级网络凝胶高出600倍且不碎.Nakayama等人[37]比较了单一的天然聚合物细菌纤维素(BC)及明胶(Gelatin)与二者的双重网络凝胶BC-Gelatin发现，细菌纤维素凝胶中的水分可被轻易挤出且不能膨胀恢复，明胶在较小的应力下就会破碎，而双重网络BC-Gelatin凝胶的压缩强度在兆帕级别，双重网络的形成明显增强了凝胶的机械性能.Chen等人[38]通过γ辐射将疏水单体硬脂酰丙烯酸酯(STA)同丙烯酰胺共聚并交联得到含疏水交联的聚丙烯酰胺凝胶(HPAAm gel)，再将该凝胶浸泡在丙烯酰胺单体中，同样用γ辐射的方法聚合，得到双重网络凝胶(DN-HPAAm gel)，聚丙烯酰胺凝胶的制备如图2所示.双重网络凝胶DN-HPAAm gel的压缩强度比HPAAm gel提高一个数量级.

图1 大分子微球复合物凝胶的构筑示意图Fig.1 Proposed mechanism for the formation of a macromolecularmicrosphere composite(MMC)hydrogel and an MMC hydrogel microstructure

图2 疏水交联的双重网络聚丙烯酰胺凝胶的制备示意图Fig.2 Synthesis route of HPAAm gels and DN-HPAAm gel

1.3 拓扑型凝胶

传统凝胶力学性能较低的一个重要原因是凝胶过程中形成的聚合物结构不均匀.目前研究中常见的拓扑型凝胶是“滑动接枝共聚物”凝胶，也可以叫作滑动环凝胶，特点是聚合物链之间的交联点可滑动，同一个滑动环在分子链的某一个位置形成交联点后，在应力的作用下可滑动至另一个位置形成交联点，外力撤销后也可回到之前的位置，故而此类凝胶都具有很好的拉伸性能、延展性和可回复性.Araki等人[39]通过PEG/α-CD包合形成聚轮烷，封端剂为金刚烷胺，α-CD是羟丙基化的，再与己内酯单体进行开环聚合，并通过环己烷异氰酸酯将聚已内酯分子链连接起来，得到拓扑型液凝胶.最近，Zhu等人[40]模拟肌联蛋白的结构用3D打印技术构筑了一种具有肌联蛋白样区域的超强韧水凝胶，由于具有肌联蛋白样的迂回区域，在受到外力时，迂回区的弱相互作用被破坏，隐藏的长度逐渐延伸，将外力耗散.

1.4 星型或多臂型凝胶

前面提到过，结构越规整越完美其性能往往越集中越均一，凝胶的制备也不例外，从高分子形态中受到启发，如果凝胶的结构也是树枝状聚合物一样规则地向外发散，或者其交联点由一种多臂的、星型的结构充当，那么可以尝试借此提高凝胶的强度.Wang等人[41]对四臂的PEG进行修饰，使得每个臂的末端都带上可反应的官能团，再与小分子交联剂作用，形成具有理想网络结构的凝胶，该凝胶碎裂压缩强度近20 MPa，含水量近96%且可注射，细胞培养实验显示生物相容性良好，适合做软骨组织工程材料.

1.5 纳米复合凝胶

虽然可以通过增加交联密度即交联剂的用量来提高凝胶的机械性能，但是化学交联剂的种类很少，过度交联会使凝胶太硬，保水性减弱，也不利于引入其他成分从而赋予凝胶新的功能.受橡胶补强原理的启发，研究者们在凝胶聚合基质中均匀分散一定含量的纳米尺度粒子，基于纳米粒子的表面效应，在纳米粒子表面修饰上聚合物链，形成三维网络交联，凝胶的力学性能显著提高，或者同时引入其他功能，制备具备特殊功能的复合凝胶.

在纳米粒子复合凝胶的研究中有较多的是基于金属纳米粒子，常用的金属纳米粒子有金、镍、铜、铁、银等纳米粒子，最近也有基于双金属的纳米粒子报道.除了金属或金属氧化物纳米粒子，近年研究得更多的是非金属纳米粒子(如石墨烯，量子点，硅)和聚合物纳米粒子(如纳米凝胶，胶束等).金属及量子点、石墨烯、硅粒子等非金属纳米粒子复合凝胶主要是通过粒子本身和(或)粒子表面修饰后充当交联剂来提高凝胶的强度.但这两类粒子在凝胶中的分散性和不稳定性是纳米复合凝胶的制备难点，而新兴的聚合物纳米粒子一般具有与凝胶基体聚合物更好的相似性和相容性，可以克服金属及非金属粒子的不足，又可以为凝胶的功能化带来更多的可能性.Xiao等人[42]制备了一种两亲性嵌段共聚物，并将该嵌段共聚物的亲水部分进行随机的丙烯酸酯化，借以通过双键反应将自组装成胶束粒子的嵌段共聚物与丙烯酰胺单体进行自由基聚合反应，得到胶束交联的聚丙烯酰胺凝胶.与化学交联剂亚甲基双丙烯酰胺(MBAA)相比，拉伸强度和断裂伸长率都有所提高，拉伸强度200 kPa，断裂伸长率近500% ，回弹性能优异.付俊教授等人[43]将普朗尼克F127修饰上双键，得到普朗尼克双丙烯酸酯(F127DA)胶束纳米粒子，与丙烯酰胺单体聚合得到超拉伸性的高强度的水凝胶，拉伸强度近300 kPa，断裂伸长率超过2 000%，压缩形变至98%时强度可达75.5 MPa.

就目前的胶束纳米粒子复合凝胶的研究来看，相比其他纳米粒子，胶束除了具有更好的分散性和稳定性外，还可赋予凝胶更大的拉伸长度及弹性，但是由于胶束粒子复合凝胶的研究还处于初级阶段，胶束增强凝胶性能的机理还不完善，绝大部分凝胶聚合物基体也仅涉及聚丙烯酰胺类，适用的凝胶基体种类有待扩宽，同时也没有关注到其他功能性方面的研究.此外，据我们所知目前的绝大多数复合凝胶仅能在含水状态下使用，含水量下降，凝胶变得很脆，使用范围受限.

增强凝胶机械性能的方法，除了上述摘要的几大方向，还包括在凝胶体系中引入较强的作用力，比如氢键作用、静电作用、疏水作用、配位作用、主客体相互作用以及可逆化学键作用等，这些因素可以相辅相成.同时，凝胶的强度与聚合物链的性质有关，包括极性、分子量及分子量分布、分子链排列方式以及外部条件温度、湿度等有关.

2 凝胶的功能化

水凝胶可以吸收大量的水分而溶胀，具有很好的吸水保水性能.近年来，功能性水凝胶材料的研究引起了科研工作者广泛的兴趣，一大批功能优异的水凝胶材料被研究和报道.随着凝胶种类的增多和研究的拓深，具有特异功能和环境响应性的凝胶逐步得到关注和研究，本文重点总结了刺激响应性和自愈合功能水凝胶材料的研究进展.所谓响应性主要是指凝胶能够感知外界环境条件的微小刺激，如光照、温度、pH、离子浓度等外界条件的变化.所以为了某些特定用途，我们可以主动地设计凝胶的组成和结构，赋予它一种或多种特定的功能.

2.1 刺激响应性

一般来说，pH敏感的凝胶[44-47]是指凝胶的溶胀和收缩行为受pH值的变化而做出相应的改变.具有pH响应性的凝胶，其大分子网络中大多含有碱性或酸性基团，在不同的离子浓度或者不同pH环境下，造成凝胶网络中分子间氢键的形成或解离，从而引起凝胶体积变化，即凝胶的溶胀与收缩行为.对pH敏感的酶也是一种功能响应因子，将这些酶固定或者包埋在凝胶之中，在适宜的pH环境，酶可以发挥作用，而在不适宜的pH环境，酶失活，从而导致不同pH条件凝胶的不同表现.

温度敏感的凝胶[48-50]最常见的是含有聚异丙基丙烯酰胺的聚合物，因为该高分子链中异丙基的疏水作用和酰胺基团之间的亲水作用，造成该聚合物有一个温度转变区域，即低临界溶解温度(LCST)，聚异丙基丙烯酰胺的LCST大约在32℃左右.当凝胶低于这一温度时凝胶会溶胀，而高于该温度时异丙基基团的疏水收缩使得凝胶体积迅速收缩.目前很多温敏性凝胶都含有聚异丙基丙烯酰胺或其嵌段.

光敏性凝胶[51-54]可分为紫外光敏感和可见光敏感两类，这种光照刺激因素具有廉价、安全、易于操控的优点.对紫外光照敏感的物质一般具有发色基团，可以在紫外光照下发生电离、构象转变或颜色变化.此类物质包括二(4-二甲氨基)苯基甲烷氰化物，偶氮苯及含有其他光敏发色团的小分子或接枝有此类物质的高分子.

对电场响应的凝胶[55-57]一般由聚电解质构成，网络中含有可离子化的基团.将凝胶置于电解质溶液中，凝胶在电场的刺激下会发生体积或形状的改变，从而实现机械能和电能之间的转化.聚电解质有离子化的聚乙烯醇、部分水解的聚丙烯酰胺、聚乙烯吡咯烷酮、聚丙烯酸以及含甲基丙磺酸、磷酸、丙烯基氯化铵等可电离小分子的聚合物，等等，或者可以通过在凝胶中共混或掺杂导电聚合物颗粒或导电无机物粒子.

磁场敏感性凝胶[58-60]一般是由磁响应的功能组分和聚合物基质所构成的复合凝胶.这类磁响应性的凝胶中大多掺杂或者化学修饰有磁性纳米粒子.常见的磁性纳米粒子有Fe3O4，γ-Fe2O3以及CoFe2O4等铁酸盐类物质.由于四氧化三铁具有环境友好以及廉价易得的特性，是目前较为常用的磁性粒子.

Mishra等人[61]将异丙基丙烯酰胺与二乙氨乙基甲基丙烯酰胺共聚得到poly(NIPAAm85-co-DEAEMA140)共聚物，再将共聚物溶液、氧化石墨烯(GO)溶液和葡萄糖氧化酶(GOx)溶液分别滴到玻璃碳电极上进行自组装再干燥得到生物电极.共聚物赋予该界面生物电极热响应，而葡糖氧化酶使其能够作为生物催化剂，并对pH具有响应性，所以可以作为一种生物转换开关.Xiao等人[62]设计了一种聚丙烯酰胺交联共聚物，接枝了丹磺酰基、偶氮苯基团及β-环糊精.利用对pH敏感的丹磺酰基的疏水聚集作用、偶氮苯与β-环糊精的主客体包合作用及偶氮苯的光照响应性，以及疏水作用与包和作用都会随着温度升高而减弱的效应，构筑了具有光照、pH值、热三种刺激响应、两重形状记忆行为的体系.

2.2 自愈合功能

除了通过明显对某种或多种因素的刺激表现出响应行为而设计具有某些功能的凝胶外，还可以从凝胶组分的性质或组分与组分之间相互作用出发，得到具有自愈合效果的凝胶材料.自愈合功能凝胶的研究也是近些年凝胶材料研究的热点之一[63-64].自愈合的概念源于生物学中的自愈合能力，指材料受到外界破坏或者损伤后具有再生或者自我修复的性能，具有很强的仿生学价值和意义.传统材料在加工或使用过程中不可避免地发生破损、创伤或断裂，严重影响材料的使用寿命，大大降低材料使用安全性，甚至威胁到人们的生命安全.因此自愈合材料的研究与开发具有深远的科学和实际意义，尤其是在同样具有仿生学意义的凝胶材料上研究自愈合性能.

材料实现自愈合的方式粗略分为三种：包埋愈合剂，可逆共价键的可逆反应，超分子作用力赋予的修复行为.包埋愈合剂的一般是微胶囊[65]、微管束[66]，包埋的愈合剂可以是粘合剂，也可以是能与事先分散在微胶囊/微管外、材料基体中的固化剂反应的物质，如环氧树脂等.虽然此类修复方式快速高效，但是往往只能实现一次修复，不能应对同一部位的二次损伤.第二种自愈合方式是是建立在体系中具有化学可逆共价键的，能够应用的可逆化学反应有苯基硼酸酯的解离反应[67-69]、双硫键的可逆反应[70-72]、D-A反应[73-75]、酰腙键[76-77]等，但是都需要较为苛刻的条件，所以实际应用有限.第三种实现材料自愈合的方式是利用超分子作用力如氢键、π-π相互作用、主客体识别、配位作用、拓扑结构等方式，使得材料自愈合是自发的、可逆的，愈合条件是温和的.

绝大部分凝胶是通过第三种方式自愈合的.Yang等人[78]通过β-环糊精与反式偶氮苯之间的主客体包合作用以及偶氮苯对紫外光的顺反异构敏感性，同β-环糊精组装成纳米凝胶粒子，作为交联剂的同时作为主体，对高分子链上的客体发生包合作用.当凝胶碎裂，主体β-环糊精和客体偶氮苯的相互作用被破坏，而凝胶含有一定的水，所以当断面接触一定时间，主客体包和作用再次发生，进而达到自愈合.当用紫外光照处理后，偶氮苯异构化成顺式结构，不会与β-环糊精发生包合，故而不能实现破裂后的自愈合，但用可见光照处理后又可以恢复.日本的 Harada教授课题组将分别含有β-环糊精(主体)的溶胶和含有二茂铁基团(客体)的溶胶混合，基于疏水作用和空间匹配，二茂铁基团与β-环糊精发生包合，形成凝胶[79].此包含主客体的凝胶受到机械损伤后，只要断面相互接触，断面间的主客体部分可以重新发生包合，从而使凝胶自愈合.此外，该自愈合过程可以响应氧化-还原刺激而进行人为控制.在断面滴加氧化剂后，二茂铁基团被氧化，亲水性增强，与β-环糊精的包合作用大大减弱，不能够完成自愈合，而继续滴加还原剂后，被氧化的二茂铁基团又被还原，凝胶又可以恢复自愈合性能.

Jiang等人[80]用氢氧化锆纳米粒子作为交联粒子，参与丙烯酰胺甲基丙磺酸和丙烯酰胺的共聚，利用纳米粒子与共聚物分子间的多重氢键构筑高强度的自由愈合水凝胶，无机纳米粒子的引入使该凝胶压缩强度高达36.6 MPa，拉伸强度404.3 kPa.而主要是利用氢氧化锆粒子与聚合物链上磺酸基的氢键作用断裂后重构及聚合物分子链缠结作用使凝胶可实现自愈合.这一研究工作通过选用合适的粒子及聚合物体系，使凝胶同时实现了增强与自愈合，是一种较为巧妙的构筑高强度自愈合凝胶的思路.但是在其讨论范围内，拉伸强度超过300 kPa的样品其断裂伸长率有较大的牺牲.特别是材料增强和自愈合性能之间存在一定矛盾，进一步提高强度，会降低了凝胶的自愈合效率.此外，该凝胶的自愈合仍然要借助于一定的水分，不能多也不能少，其自愈合性能是受到限制的.

一般来说，目前基于超分子作用力的自愈合材料在材料设计之初都比较复杂，对愈合的条件也有要求，有的需要升温、有的需要加水等等，想要更多地发挥其功能则会缩小其使用范围.所以目前来说，离开发出真正意义上能广泛使用的高强度自愈合凝胶还有一定距离.

3 总结与展望

综上所述，强韧性水凝胶材料在功能材料的构筑和设计方面具有极其重要和广阔的应用前景.尤其是近年来，强韧性水凝胶材料的研究取得了一些可喜的科研进展，将强韧性凝胶的研究拓展到功能材料领域，对功能凝胶的设计和提升凝胶的机械性能方面有着深远的意义.但是，强韧型功能凝胶的研究仍面临一些问题和挑战：(1)从目前的研究来看，除有部分研究工作同时关注凝胶的刺激响应性和自修复性能外，只有较少的研究能使凝胶兼顾高强度和其它性能.(2)大多数凝胶只能在含水状态下使用，一旦水分蒸发或干燥之后就会脆裂，这限制了凝胶的使用范围，所以未来的研究方向一方面是拓展凝胶的应用范围，即在干湿状态下凝胶都能保持良好的机械性能.因此，构筑具有多重刺激响应性、高机械强度的功能凝胶，是未来发展的方向之一.我们相信，随着科研工作者的深入研究，将推动强韧性功能凝胶材料等领域的技术进步，有望在材料的结构设计和新材料领域产生重大变革.