水凝胶的最新研究进展
2020-03-05何畅
何畅
摘 要： 综述了近几年国内外对水凝胶研究的现状，简要介绍了基于水凝胶高吸水性、保水性能和机械性能的创新性研究，同时重点介绍了对温度、光照、pH、电场、磁场等外部环境刺激有响应的智能水凝胶的研究进展与其在药物释放体系、检测器、机器人驱动装置等领域应用。
关 键 词：水凝胶;吸水性能;机械性能;智能响应
中图分类号：TQ 050 文献标识码： A 文章编号： 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
水凝胶是一种由亲水性聚合物链组成并通过物理交联或化学交联而形成的材料[1]。水凝胶中形成三维网状结构的聚合物起到骨架的作用，通过表面张力作用将大量的水锁在水凝胶整体当中。水凝胶的保水能力取决于三维结构的交联程度和结构分子的亲水能力，表现为水凝胶的吸水膨胀性能。水凝胶的网状结构可以保持聚合物链本身的亲水性质，聚合链又由于交联形成了整个凝胶网络，使得它能够在水中不被溶解[2]。
对于水凝胶应用的研究始于1960年，Wichterle和Lim通过聚合2-羟乙基甲基丙烯酸甲酯成功制备了水凝胶，并制成了历史上第一副隐形眼镜[3]。自此水凝胶的研究与应用进入了一个快速发展的时期。
水凝胶的结构性质使得它能够吸收并储存远超过自身质量的水，因此水凝胶具有多种商业用途。具有强吸水能力的水凝胶可以用于水的吸收和储存，在污水处理和农业灌溉中都能得以应用。此外，由于水凝胶具有的优秀保水溶胀性能，水凝胶材料也被用于生产纸尿裤[4]。除了具有强的吸水性能外，水凝胶通常还具有较小的硬度和较高的弹性，软性的水凝胶也被用作制备隐形眼镜[5]和医疗设备的电极。基于独特的组成偶合机械性能，具有生物相容性和生物可降解性的水凝膠也被用在医学领域，在过去的几十年中，以水凝胶材料为载体，用于生物细胞培养、组织工程生物支架材料的例子也层出不穷[6]。
近年来，随着人们对材料化学的深入研究，对于外界刺激具有相应特性的智能水凝胶成为材料学家研究的重点，智能水凝胶是能够通过接触外部环境的刺激而做出相应的智能响应的材料，他们能够通过感应外部温度、光照、磁场、电厂、pH值等的变化或接触到特定的小分子而改变自身结构或溶胀特性的性质，从而发挥出人们所需的功能。根据外部刺激因素的种类区别，可以将智能水凝胶分为温敏型水凝胶、光敏型水凝胶、pH敏感型水凝胶、电场敏感型水凝胶、磁场敏感型水凝胶等。智能水凝胶具有功能丰富、制备工艺简单、等特点，因而水凝胶在当代受到研究者们的广泛关注并将其应用在医疗、传感器、药剂学、污水治理等众多领域[7]。
1 基于吸水性和机械性能的应用
1.1 生物化学研究中的应用
在生物学研究过程中，细胞体外培养是不可或缺的一部分。传统的细胞培养方式是采用平面型的培养基（2D）进行细胞培养， 这种方法操作简单而且培养基容易制备。但是2D的培养基不能完整的模拟细胞在体内增殖的环境条件，这种变化有可能影响细胞正常的新陈代谢、基因表达和细胞外基质的产生。因此，能够模拟体内环境的立体型基质（3D）得到研究者们的广泛关注。由于水凝胶具有含水量高、生物相容性好等特点，研究者们也将水凝胶材料用于细胞培养基质的制备。
Akimoto等[8]以N-异丙基丙烯酰胺和N-（3-氨基丙基）甲基丙烯酸的共聚物为原料，在此基础上加入N-羟基丁二酰亚胺终止的聚乙二醇和精-甘-天冬-丝氨酸肽链交联成聚合物制备成水凝胶材料，这种材料可随温度的变化发生机械强度的变化，当他们用这种材料制成三维立体的水凝胶基质培养成肌细胞C2C12时，实现了通过改变外界环境达到改变细胞附着基质机械强度，最终达到控制细胞生长的目的。
1.2 在组织工程学中的应用
组织工程学是一门结合细胞生物学、工程学、材料学用于在体内或体外构建组织或器官的学科。组织工程的基本原理是将从机体内取出的少量活体组织细胞与具有良好相容性、可降解或可吸收的生物支架材料混合制成细胞-材料复合物，将这种复合物植入机体的受损组织或器官部位时，随着支架材料逐渐被降解和吸收，植入的细胞能够不断增殖分化，最终形成相应的组织或器官，以达到创伤修复的目的。水凝胶材料通常具有良好的生物相容性和降解性，因此水凝胶材料可以在组织工程学中作为生物支架材料具有很高的应用潜力。
Cheng等[9]以Fmoc-L-苯丙氨酸，2-萘乙酸以及精氨酸-甘氨酸-天冬氨酸肽链为原料制备了凝胶剂NapFFRGD。随后将这种凝胶剂与丝心蛋白在水中混合，得到了一种可以在低浓度成胶，并具有非常高的生物相容性的水凝胶。他们通过皮下注射将包有血管内皮生长因子的水凝胶注射到小鼠体内，有效地促进了小鼠体内毛细血管的生成。Pourjavadi等[10]在由聚异丙基丙烯酰胺与壳聚糖和卡拉胶组成的混合物中引入金纳米粒形成物理交联，制备了具有强机械性质和温度敏感性的水凝胶。这种水凝胶展现出了优秀的生物相容性。在将人成骨肉瘤细胞（MG-63）结合在这种水凝胶中时，MG-63细胞在15 d内表现出了良好的细胞活力、细胞附着和增值能力， 表明该水凝胶可以作为组织工程学中理想的生物支架材料。
1.3 在农业生产中的应用
水凝胶具有优异的吸水保水能力，可以吸收超过自身质量百倍的水分而不被溶解，然后缓慢释放，水凝胶的这种特性使得水凝胶可以被应用到农业生产领域，用作土壤保湿和化肥、农药缓释剂。
土壤中的水含量对于农业生产而言至关重要，土壤含水量低是影响农作物产量的最主要原因[11]，因此，高效地利用有限的水资源是十分必要的。在过去的几十年中利用水凝胶作为高吸水材料已经得到人们的广泛关注。Cheng等[12]以丙烯酸、尿素、过硫酸钾以及N，N-亚甲基双丙烯酰胺为原料，共聚成交联聚合物制成具有高吸水水凝胶，实现了最高909 g/g的高效吸水能力。
在农业生产中，土壤中的养分也是影响农产品产量的重要因素。氮元素肥料是影响农作物产量的关键养料，在传统的施肥方式中，氮肥的利用效率只能达到30%～50%[13]，提高氮肥的利用效率可以极大地减少相关投入和环境污染问题。在Cheng等[12]的研究中，由于水凝胶的交联网络中含有作为氮肥的尿素分子，这种高吸水水凝胶同时也能作为氮素化肥的缓释载体。实验结果显示水凝胶中的氮素在40 d内缓慢释放3.71%，表明这种材料具有在农业生产中作为氮素化肥的缓释材料的应用潜能
水凝胶同样作为农药缓释材料以减少农药对环境的污染。Sarkar等[14]在用硼酸和羧甲基纤维素聚合交联而成的水凝胶中载入农药噻虫嗪，这种复合材料在酸性、碱性、中性环境中表现出了不同的农药释放效率，在碱性环境下，这种材料的农药释放效率最高。这一实验结果展示了水凝胶材料在农业农药缓释领域的应用前景。
2 智能水凝胶的研究与应用
2.1 温度敏感性水凝胶
温度敏感性水凝胶是指随着外界温度变化，能够改变自身体积、透光率等性质的水凝胶。温度敏感性水凝胶可以被应用于药物控制释放领域。Fu等[15]使用具有温度敏感性的聚氧乙烯和聚氧丙烯醚的嵌段共聚物Pluronic F127制备水凝胶，这种水凝胶在高于体温时为溶液状态，与硫化铜纳米点混合制成均匀混合物并注射到生物体内，当温度降到37 ℃时，该混合物由溶胶状态转变为凝胶状态，对用于癌症光热治疗的硫酸铜纳米点有较好的包覆和缓释作用。
2.2 pH敏感性水凝膠
pH敏感性水凝胶的溶胀或消溶胀可以随着外界pH的变化而发生改变。这种对pH的相应特性可以通过在聚合链中引入物理交联而实现。Liu等[16]将甲基丙烯酸-2-羟基乙酯和甲基丙基酸制成共聚物得到成具有pH敏感性的水凝胶，随后，他们将这种水凝与全息光栅传感平台结合制成传感装置。由于共聚物中的羧基可以根据外部pH的变化而改变得到或失去质子，水凝胶也随之发生溶胀或消溶胀。例如，水凝胶网络中的羧基被离子化时，水凝胶内的渗透压升高，它的吸水能力也随之升高。所以当外部环境的pH值较高时，水凝胶网络中的羧基被离子化，凝胶内渗透压升高，吸水增多，凝胶发生溶胀，同时，水凝胶的膨胀使得光栅的间距增加，通过光栅的光线发生红移现象，相反，当pH值较低时，凝胶消溶胀，光线发生蓝移动。因此pH敏感性水凝胶在检测器领域有着极高的应用价值。
2.3 光敏感性水凝胶
光敏性水凝胶能够在光刺激下发生形态变化，这种水凝胶通常可以通过将具有光敏性质的官能团引入到水凝胶的交联网络中获得。Dübner等[17]制备了一种既具有pH敏感性又具有光照相应的水凝胶材料，他们在首先将聚甲基丙烯酸嵌合在聚丙烯薄膜上制成pH敏感性水凝胶，随后通过聚合后修饰将光致变色的螺吡喃连接在水凝胶主体上得到同时对pH和光照具有响应特性的水凝胶。这种材料的光敏性体现在，当水凝胶暴露在紫外光下，其颜色会从黄色变为紫色，当除去紫外光并将它暴露在可见光下时，紫色的水凝胶又转变为黄色。光致变色的水凝胶材料同样在检测器的开发与研究中有极大的应用潜力。
2.4 电场敏感性水凝胶
水凝胶的电敏感性可由引入聚电解质而得来，在电场中，聚电解质水凝胶发生形状改变并伴随能量变化，这种性质使得电敏感性水凝胶在传感器、机器人科学等领域有着广泛的应用前景。Zhang等[18]将具有导电性的二维无机化合物MXene（Ti3C2Tx）混入聚乙烯醇水凝胶中，制备了具有极高的延展性，自愈性以及对多种表面具有良好贴合性的电敏感水凝胶。这种水凝胶展现出了远超过此前报道的电敏感材料的机械性能，在检测压力变化的能力上具有极高的准确性和敏感性。
2.5 磁场敏感性水凝胶
磁场敏感性水凝胶是由水凝胶和嵌入其中的磁性粒子（Fe3O4，γ-Fe2O3等）组成的混合材料[19]，它们的溶胀行为能够对外加磁场的变化做出响应，因此磁场敏感性水凝胶在药物释放、软体显示器、机器人以及生物医学工程等领域都有潜在的应用前景。Tang等[20]使用原味沉积法使Fe3O4微粒均匀地分布在由以黏土和N-异丙基丙烯酰胺共聚而成的水凝胶中，制备了具有磁场响应功能且强韧机械性质的磁场敏感性水凝胶。此外，他们将所得的水凝胶粘连在弹性亚克力上形成双层结构，由于磁敏感水凝胶在磁场作用下会收缩，这种具有双层结构的材料则会发生弯曲。这项研究向人们展示了一种可以通过磁场远程控制形态变化的水凝胶材料。
2.6 形状记忆水凝胶
形状记忆水凝胶是一种特殊的智能水凝胶，它们具有保持临时变形形状的能力。当受到外部环境的刺激时，形状记忆水凝胶可以改形状并维持这一临时形状，当外部環境恢复到初始状态时，它们的形状也能变为原样。近年来，形状记忆水凝胶正在越来越引人注目，由于具有水凝胶的高生物相容性、生物可降解性和环境友好性，越来越多的记忆性水凝胶被应用到检测器、处理器、驱动器和药物释放等领域[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联产物中引入了具有近红外光敏感性的氧化石墨烯，制备了具有良好机械性能且有近红外光响应的形状记忆水凝胶。同时，他们采用3D打印技术，将这种强韧的水凝胶制成多种形状，在近红外光的刺激下实现形状的变化。此项研究所制备的形状记忆水凝胶经测试没有细胞毒性，可以应用于给药系统和组织工程。
He等[23]用聚N-异丙基丙烯酰胺和氧化石墨烯为原料制备的双层形状记忆水凝胶能够同时对温度和近红外光两种外部刺激发生弯曲响应，双层结构使得这种水凝胶材料能够实现两个不同方向的弯曲和复原。Wang等[24]以聚N-异丙基丙烯酰胺和聚N羟乙基丙烯酰胺为原料设计的双层水凝胶材料能够同时对温度和乙醇/水混合溶剂有响应，这种材料实现两个方向的弯曲和复原的同时具有准确的可调控性。这种有多种类响应性的水凝胶驱动装置具有被应用在软性机器人和人工肌肉等更复杂系统的巨大潜力，同时为新一代的仿生材料提供了很好的设计思路。
2.7 其他智能水凝胶
除去常见的温度、光照、pH、电场及磁场敏感性水凝胶外，部分智能水凝胶也可以对溶液中盐离子[25]或特定的小分子[26]的种类和浓度做出响应。例如，Oliveira等[27]制备的水凝胶材料能够用于检测可卡因;Goh等[28]制备水凝胶材料能够对环境中尿素和氯化钠的浓度做出响应，从而表现出不同的脲酶催化性能。
3 结束语
近年来，无论是基于水凝胶的结构性质或环境刺激响应性能，水凝胶已经广泛应用于农业、医药、工业等领域，具有新结构新性质的水凝胶也层出不穷，具有非常大的发展空间和应用前景。智能水凝胶具有生产成本低、低毒性、优良的生物相容性和生物降解性、环境响应性以及功能多样性等特点，因此智能水凝胶将会是这一领域中最为闪耀的一颗明星。
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