纤维素基自愈合凝胶研究现状

吴慧，李文焰，赵梦婵，卢生昌，黄六莲，陈礼辉

（福建农林大学材料工程学院，福州 350108）

纤维素是自然界丰富的天然有机高分子资源，具有价廉易得、环境友好和力学性能良好等优点，开发和利用的空间非常广阔［1］。纤维素上含有大量的羟基，经过一系列的化学或物理改性［2-7］，可赋予纤维素特殊性能，制取功能性高分子材料。而自愈合凝胶在受到外力破坏后，可以恢复其结构和功能，延长其使用寿命，拓展传统凝胶的应用领域，使其在柔性电子器件、生物医疗、组织工程等领域具有潜在的应用价值。

目前，能够在温度［8］、电场［9］、磁场［10］和光［11］等外部刺激下作出响应的智能性凝胶研究已经取得了重大进展，在传感器［12-13］、组织工程［14］、药物/细胞传递系统［15-16］、软机器［17］等领域具有重要的应用价值。由于传统凝胶在宏观或微观尺度上的损坏会限制其使用寿命，制约其适用范围。因此，通过物理作用或者化学作用构建具备自修复性能的凝胶，使之在一定的条件下修复自身损伤，保持功能完好的网络结构，延长其使用寿命，具有很重要的意义。

图1 纤维素基凝胶自愈合机理Fig.1 Self⁃healing mechanism of cellulose⁃based gels

材料实现自愈合一般需要两个条件［18-19］：第一，部分分子链在受损处或者附近可以运动；第二，分子链在受损处及附近实现各种作用方式的重组。聚合物链中的官能团可通过物理作用或化学键解离和重组的方式实现凝胶网络结构的动态平衡，在受损区域可重新构建新的物理或者化学连接启动自我修复过程。图1 列举了采用不同自愈合机理设计的基于纤维素的自愈合凝胶。物理自愈合凝胶通过动态重建网络在聚合物链之间形成非共价相互作用，包括氢键作用［20-27］、疏水作用［28-30］、主客体相互作用［31-34］、金属配位作用［35-40］和静电相互作用［41-43］等。化学自愈合凝胶重建网络通过聚合物链之间形成动态共价键，包括硼酸酯键［44-47］、双硫键［48］、酰腙键［49］、烯胺键［50-52］和Diels⁃Alder［53］反应等。以下通过不同自愈合机理，介绍基于纤维素及其衍生物制备的自愈合凝胶。

1 通过物理作用自愈合的纤维素凝胶

1.1 氢 键

聚合物分子链上和分子链之间的羟基，可为凝胶网络结构提供大量的氢键［20-24］。受损区域的重新接触可以使断裂面上重新构建氢键，从而实现自我修复，延长材料的使用寿命。虽然分子之间的氢键不是最强的非共价相互作用，但由于它们的方向性和亲和力，可以通过提高氢键的数量使自愈合材料的力学强度显著增强。

Zheng 等［20］将羧甲基纤维素钠用水调制成糊状，用柠檬酸溶液酸化后制备出自愈合水凝胶。水凝胶在8 mol/L 的柠檬酸浓度下浸泡的自修复效果最好，当水凝胶切成两半重新接触，未交联的羧甲基纤维素与氢离子构建新的氢键，恢复凝胶的受损区域。自愈合效率最高可达81%，压缩强度可达2.3 MPa。

Wang 等［21］将丙烯酸单体和亚甲基双丙烯酰胺单体加入到季铵化纤维素与聚乙烯醇混合溶液中，紫外引发聚合得到双重网络结构水凝胶。该水凝胶在切开后室温下接触16 h 裂缝完全消失，并可以弯曲。含有1.5%季铵化纤维素水凝胶的抗菌率为92.2%，在其周边0.34 cm 处不会长出霉菌，具有显著的抗菌活性。该体系构建的双重网络结构能提高凝胶的力学强度，通过氢键和金属配位键双重自愈合机理，在拉伸的过程中两者可分散拉伸时损耗的能量，提高材料的力学性能。材料的拉伸率可达465%，拉伸应力可达到1.3 MPa。

1.2 疏水相互作用

疏水相互作用在自愈合水凝胶的制备中发挥着重要作用。聚合物链中的疏水基团在疏水相互作用下聚集缔结，形成瞬时的动态交联网络，其自愈合机制是网络中疏水缔合的可逆解离和结合［28-30］。

Yang 等［28］将亲水性丙烯酰胺单体和十二烷基苯磺酸钠加入到纳米纤维素/多壁碳纳米管的悬浮液中，再加入疏水性甲基丙烯酸十八酯单体，采用原位聚合法制备了聚丙烯酰胺/纳米纤维素/多壁碳纳米管水凝胶。由于纳米纤维素纤维与多壁碳纳米管之间的疏水相互作用以及静电排斥等作用，纤维素纳米纤维作为绿色的分散剂使多壁碳纳米管在水凝胶中分散均匀，并且增强了水凝胶的力学性能。所制备的水凝胶具有导电性、电磁屏蔽功能和自愈合性能。自愈后的水凝胶可弯曲1 000次也不会断裂，水凝胶在7 d 左右能够完全自愈合，愈合效率达到77.2%。

1.3 主⁃客体相互作用

常用的主体分子有冠醚、杯芳烃、环糊精、葫芦脲等及其衍生物，客体分子一般是小分子单元链段。客体被包裹或者被贯穿在主体内部，由此构建主体与客体的相互作用。通过主体和客体分子间的相互作用力交联形成的水凝胶，通常在光、热、氧化⁃还原等刺激下具有可逆的响应性［31-34］。

McKee 等［31］将带有客体萘基单元的甲基丙烯酸酯接枝到纳米纤维素和聚乙烯醇链段上，分别嵌入主体葫芦脲内部，以主客体相互作用制备出结构稳定、可快速自愈合的水凝胶。这种水凝胶即使在数月之后仍然具有快速自愈合的能力，其中纳米纤维素提高了水凝胶力学强度和结构稳定性。

由于环糊精疏水内腔具有容纳客体分子的疏水结合位点，环糊精被广泛用于制备主体⁃客体凝胶。Himmelein 等［33］首先用金刚烷对羟乙基纤维素酯化改性得到疏水侧基的聚合物充当客体，两亲性β⁃环糊精为主体制备超分子水凝胶，该水凝胶通过主⁃客体的作用实现自愈合性能，有显著的剪切稀化性能，有望于运用在药物传递等领域。

Fan 等［34］利用两亲性物质N，N⁃二甲基⁃1⁃金刚烷胺（DM⁃AD）作为交联剂，羧甲基纤维素（CMC）和β⁃环糊精（β⁃CDP）作为骨架，制备了pH响应性自修复水凝胶。DM⁃AD 的一端是金刚烷，通过主客体相互作用被β⁃环糊精包裹，另一端的氮原子与质子结合形成季铵化合物与羧基形成静电相互作用。该水凝胶在酸性条件下能降解，可应用在药物传递领域。

1.4 金属配位作用

利用多价金属离子与配体之间的螯合，通过金属⁃配位作用可以实现凝胶的自愈合。

Shao 等［35］用一步法制备了完全物理交联的纳米纤维素复合水凝胶，通过铁离子与TEMPO 氧化纤维素纳米纤维（CNFs）和聚丙烯酸上的羧酸根离子的双重金属配位键和聚丙烯酸和CNFs 分子链之间的氢键实现自愈合。铁离子Fe3＋和CNFs 充当交联剂提高力学性能（图2），凝胶显示出优异的断裂强度（1.37 MPa）和断裂伸长率（1 803%），在1 h 内可以达到95.7%的回复率，自修复效率达到94.2%。此外，Shao 等［36］利用静电作用使单宁酸覆盖在纳米纤维素表面上，在TA＠CNC 溶液中自由基原位聚合聚丙烯酸，再引入铝离子形成多种配位键，构建了具备动态交联结构和优异自愈合性能的基于纳米纤维素增强的凝胶材料。该凝胶可直接黏附到人体皮肤上，作为穿戴电子传感器以检测手腕摆动等大形变以及脉搏跳动等微弱的生理信号。

Chen 等［37］将1，1′⁃羰基二咪唑与无水柠檬酸反应后加入糊状羧甲基纤维素，与AlCl3溶液制得自修复水凝胶。由于水凝胶中加入了荧光物质，在紫外光的照射下可以显示各种颜色，依靠Al3＋和COO-的配位作用提高了力学性能和自修复能力，可运用在胃黏膜穿孔修复和密封胶上。Hussain等［38］将铁离子Fe3＋加入羟乙基纤维素和聚丙烯酸形成的物理交联网络中，铁离子在其网络中充当交联剂，通过金属⁃配体作用有效分散能量，提高自愈合凝胶的力学性能。

图2 基于金属配位键自愈合凝胶［35］Fig.2 Self⁃healing gels with metal⁃ligand coordination

1.5 静电作用

通过聚合物链上或者溶剂体系中两种相反电荷离子的相互作用，材料可实现快速自愈合［41-43］。Merindol 等［41］选择带有羧基基团的阴离子纳米原纤化纤维与聚乙烯胺阳离子聚合物，通过层层自组装方法制备了透明的具有人造木材结构的薄膜。该薄膜在不同的pH 条件下具备可调控的力学性能，并且湿度可促进膜中聚合物链的流动，使膜实现自修复。Khamrai 等［42］用阴离子聚丙烯酸接枝改性细菌纤维素使其带有阴离子，再将其与带有阳离子的壳聚糖溶液超声搅拌干燥后得到柔韧、可生物降解的自愈合聚电解质膜。该体系在水条件下，可以加速划痕的愈合，可将其运用在伤口创伤恢复、药物传递释放等领域。

2 通过化学作用自愈合的凝胶

在温度、pH、光和溶剂等条件下，动态共价键在断裂面上可自发重新键合，从而修复材料的损伤。与物理自愈合作用相比，动态共价键可提供较强的分子相互作用，使凝胶具备更好的稳定性。

2.1 硼酸酯键

硼酸酯键在水溶液中可逆，且在不同的酸碱条件下有不同的结合形式，因此具有pH 响应性。Lu等［44］利用可逆的动态硼酸酯键，将球磨得到的微晶纤维素与硼砂混合后，加入聚乙烯醇溶液制备了pH 响应性的自修复水凝胶（图3）。含有3.0%微晶纤维素的水凝胶可以拉伸30 倍，而不含微晶纤维素的水凝胶则容易断裂，表明微晶纤维素可以提高水凝胶的力学性能。该水凝胶切开后重新接触，在10 min 之内可以愈合。

Spoljaric 等［45］以纳米纤维素⁃聚乙烯醇⁃硼砂体系制备了具有稳定力学性能的自修复水凝胶。首先将5%质量分数聚乙烯醇和硼砂溶液，同时加入50%质量分数纳米纤维素悬浮液中搅拌10 min，硼离子与纳米纤维素上的羟基作用形成硼酸盐复合物，纳米纤维素与聚乙烯醇之间的氢键和分子间缠绕作用使该水凝胶具备自修复的功能。Liu等［46］在纳米纤维素⁃聚乙烯醇⁃硼砂体系中加入聚苯胺和MnFe2O4，使该自愈合水凝胶具备导电和磁性性能，拓宽了该类水凝胶的应用领域。Bian等［47］通过一锅反应法在聚乙烯醇、羧基化纤维素纳米纤维和硼砂体系中，缓慢加入一定量的木质素纳米粒子，形成可实现自我形状恢复的三维网络结构，提高了凝胶的损耗模量和弹性模量，有望应用于压敏传感器中。

图3 基于硼酸酯键自愈合的微晶纤维素⁃聚乙烯醇⁃硼砂凝胶［44］Fig.3 Self⁃healing microfibrillated cellulose⁃PVA⁃borax hydrogels based on boronate complexation

2.2 双硫键

双硫键［54-56］是基于硫醇/二硫化物动态交换反应的动态共价键，对酸、碱、紫外光等多种因素都具有敏感性。Li 等［48］以纳米纤维素为原料，采用聚加成法，与二硫化秋兰姆二醇聚合制备出光敏性纤维素基自愈合凝胶（图4）。该凝胶在可见光下照射2 min 内可以实现快速自愈合，裂缝可以完全消失。其自愈合机理为：含CNC 凝胶中的二硫代氨基甲酸酯键在可见光下能够进行均裂，产生二硫代氨基甲酰自由基中间体；当断裂面接触后，二硫代氨基甲酰自由基通过交换和转移反应在重新接触的表面上断裂重组，重构共价S—S 键，实现断裂面的愈合。其自愈合效率可以达到97%，拉伸率达到4 260%，可将其应用于传感器、微电子等领域。

图4 基于双硫键构建的自愈合纳米纤维素复合凝胶［48］Fig.4 Cellulose nanocrystals gels based on disulfide interchange

2.3 酰腙键

酰腙键由酰肼与醛或酮进行缩合反应而生成，已用于制备具有不同功能的动态共价键聚合物。酰腙类化合物具有较强的生物活性，其与过渡元素和稀土元素形成的金属配合物具有良好的抗菌和抗肿瘤活性以及发光和催化活性，在金属基药物和材料科学领域具有潜在的价值。Yang 等［49］将二硫代二丙酰肼接枝改性羧乙基纤维素，在4⁃氨基⁃DL⁃苯丙氨酸的催化下，与二苯甲醛封端的聚乙二醇反应形成自愈合凝胶。由于酰腙键对pH 比较敏感，双硫键对氧化还原剂比较敏感，所制备的凝胶不仅具备较好的自愈合能力，还对pH 和氧化还原剂具有双重响应性。该水凝胶成功应用于控制阿霉素的释放，在药物递送和3D 细胞培养等组织工程领域有广泛的应用前景。

2.4 烯胺键

烯胺是一类碳原子与氮原子以双键相连的不饱和胺类化合物，广泛用于生物医药等领域。烯胺键通常由胺与不饱和碳氧键或碳碳键缩合形成。烯胺键在酸性条件下极不稳定，室温下即可水解开环，碱性条件下可逆性环合。通过乙酰乙酸纤维素上的羰基和壳聚糖上的氨基之间形成动态共价烯胺键，Liu 等［50］制备了pH 响应性的自修复水凝胶，交联网络中动态烯胺键赋予多糖水凝胶具有较好的自愈能力。

Huang 等［51］制备了基于席夫碱动态共价键构建的自愈合水凝胶（图5），通过高碘酸钠氧化纳米纤维素得到带有二醛基的纳米纤维素晶体（DAC⁃NC），将其与带有氨基的羧甲基壳聚糖反应得到可注射的自愈合水凝胶。DACNC 充当增强填料改善了水凝胶强度，也限制了柔性羧甲基壳聚糖链的运动，赋予水凝胶高吸胀率及其完整网络结构。细胞毒性和细胞培养试验显示出水凝胶具有良好的生物相容性。该水凝胶可以吸收大量伤口渗出物，而且当伤口愈合后喷洒氨基酸溶液可使水凝胶自然脱落，不会对愈合伤口造成二次破坏并阻碍疤痕的形成。该水凝胶可应用于深度烧伤伤口处理，减轻更换伤口敷料所引起的疼痛，加快伤口愈合。

2.5 Diels⁃Alder 反应

图5 基于席夫碱自愈合的纤维素基水凝胶［51］Fig.5 Self⁃healing hydrogel based on enamine bonds

Diels⁃Alder 反应称为狄尔斯⁃阿尔德反应，又名双烯加成，由共轭双烯与亲双烯体反应生成取代环己烯。Diels⁃Alder 反应作为“点击化学”反应之一，因其具有高选择性并且没有副反应和副产物，在各种功能性凝胶的制备中具有重要作用［57］。

Shao 等［53］报道了一种通过Diels⁃Alder 点击反应的坚韧、高弹性、快速自修复的互穿网络结构水凝胶。以改性的纳米纤维素晶体端的呋喃基和聚乙二醇两端的马来酰亚胺形成热可逆共价键，通过Diels⁃Alder 点击反应使水凝胶具备自修复的功能。纳米纤维素在凝胶中充当增强剂和化学交联剂，提高了水凝胶的力学性能。

3 展 望

笔者通过不同的自愈合机理，综述了利用氢键、疏水相互作用、主⁃客体相互作用、金属配位作用、静电作用等物理作用和硼酸酯键、烯胺键、双硫键、酰腙键等化学键构建凝胶的研究进展，总结了基于纤维素制备的自愈合凝胶的结构特性以及其在柔性电子、生物组织工程等方面的应用。

纤维素基凝胶可利用其自愈合机理进行制备。采用物理或者化学的方法，精准设计分子的结构，在纤维素基凝胶中引入功能性基团或物质使分子链在受损处进行重组，从而实现凝胶的自愈合性能。近年来发光型凝胶［37］、导电型凝胶［39］以及多重响应性［46，49］等自愈合凝胶被相继研制开发出来，这些创新性的研究成果展示了纤维素凝胶多种新颖优异的功能。这也使凝胶在材料选择和性能上呈现多样性，在生物医疗、柔性传感器等领域具有更广泛的应用。然而纤维素基自愈合凝胶仍存在愈合速度慢、制备过程复杂、力学强度弱、功能性单一等问题尚未解决，这些仍需进一步探索研究。

为了增强纤维素基凝胶的功能，使其更好地应用于工业、生物医学等领域，未来对纤维素基凝胶的研究还可以从以下方面进行考虑：

1）对高自愈合性能凝胶和力学强度的研究，比如通过精妙构建凝胶的多重网络，提高纤维素及其衍生物的反应度，引入可实现多重作用的各种官能团，结合多重自愈合机理等，提高自愈合水凝胶的性能；

2）对纤维素基凝胶多功能化的研究，比如导电性、抗菌性、荧光性能等，赋予其多种功能，增加自愈合水凝胶的应用领域。