超分子水凝胶的制备与应用

严铟蕾,胡琼,牛利

（广州大学化学化工学院，广州市传感材料与器件重点实验室，广州大学分析科学技术研究中心，广东 广州 510006）

水凝胶是一类具有高吸水、高保水性的三维交联网络的功能材料，其含水量可高达99%［1］，性质柔软，能够保持一定的形状。水凝胶具有良好的生物相容性与生物可降解性，在日常生产、生活中获得了广泛的应用，如日常生活中所接触到的果冻、尿不湿、医用敷料、隐形眼镜、面膜及固体空气清新剂等都与水凝胶密切相关［2］。

依据交联网络形成的机理，水凝胶可以分为高分子水凝胶（MHGs）和超分子水凝胶（SHGs），图1为MHGs和SHGs的网络拓扑示意图［1］。MHGs一般是由化学交联、物理缠结等方式构筑凝胶网络，由于缺乏刺激响应性等功能特性，它们的应用范围受到了很大的限制。相比之下，SHGs主要是通过氢键、疏水效应、静电作用（如离子-离子相互作用、离子-偶极相互作用等）、主-客体识别、π-π堆积等分子间非共价相互作用形成。由于氢键等分子间弱相互作用具有可逆性且极易受到外界刺激（如光、压力、温度、p H等）的影响，因此SHGs具有非常优异的动态性（如自修复性、刺激响应性和可适应性等）［3-4］，在生物医药、柔性传感、防污材料、细胞培养、能源存储与转换及水处理等领域具有广阔的应用前景［5］。近年来，SHGs已经获得了长足的发展。本文结合国内外最新研究成果，对SHGs的制备与应用进行系统的归纳与总结，并对相关领域的发展进行展望。

图1 MHGs与SHGs的网络拓扑示意图［1］Figure 1 Schematic representation of the network topology for MHGs and SHGs［1］

1 SHGs的制备

1.1 合成高分子类SHGs

1.1.1 聚丙烯酸SHGs

聚丙烯酸（PAA）SHGs主要是通过氢键、静电作用及主-客体识别等方式来构筑凝胶网络。Miyamae等［6］将侧链同时接枝有β-环糊精（β-CD）、二茂铁（Fc）和金刚烷（Ad）的PAA作为凝胶因子，借助于Fc和Ad与β-CD间的双重主-客体识别作用（Fc和Ad等疏水性客体能够进入β-CD的疏水空腔并形成包合物），构筑了一种兼具自修复、膨胀-收缩及形状记忆功能的SHG。Sun等［7］借助于氢键相互作用构筑了一种具有优异铀吸附能力的聚丙烯酸类SHG，可用作废水除铀的吸附剂。Jiang等［8］将侧链同时接枝有苄基亚胺功能化蒽基（BIFA）和寡聚乙二醇（PEG）的聚甲基丙烯酸（PMAA）作为凝胶因子，借助于蒽基间的π-π堆积以及羧基与乙二醇单元间的氢键相互作用，制备了一种具有自修复性能的光响应性SHG。Xiong等［9］以碳硼烷接枝的葡聚糖（DEX-CB）与β-CD接枝的PAA（DEX-CD）作为凝胶因子，借助于碳硼烷与β-CD间的主-客体识别作用，构筑了一种具有自修复功能的SHG。Gu等［10］以PAA、偶氮苯胍及α-环糊精（α-CD）接枝的木质素纳米粒子为构筑基元，制备了一种具有荧光“光开关”活性的SHG。Jain等［11］借助于Fc与β-CD间的主-客体识别作用构筑了一种具有氧化还原响应性的SHG，其可用于葡萄糖浓度的定量检测。

1.1.2 聚丙烯酰胺SHGs

聚丙烯酰胺（PAM）是丙烯酰胺均聚物或与其他单体共聚所得聚合物的统称，由于酰胺基易形成氢键，因而具有良好的水溶性。Liu等［12］利用丙烯酰胺和1-苄基-3-乙烯基咪唑制备得到了一种共聚物，并借助于葫芦［8］脲（CB［8］）与聚合物侧链中的1-苄基-咪唑基团间的主-客体识别作用，构筑了一种具有自修复性能的聚丙烯酰胺SHG。He等［13］将侧链含有β-CD的海藻酸盐（Alg-CD）和侧链含有偶氮苯的PAM（PAAAB）作为凝胶因子，借助于β-CD与偶氮苯间的主-客体识别作用，构筑了一种具有自修复性能的聚丙烯酰胺SHG。Liu等［14］将由壳聚糖与MXene纳米片组成的复合物加入到PAM水凝胶中，构筑了一种具有导电性的聚丙烯酰胺SHG。

1.1.3 聚两性电解质SHGs

聚两性电解质SHGs是由带有正负电荷的单体聚合而形成的，因此其分子链上同时含有正负电荷的基团。静电相互作用的强弱与聚合物链的电荷分布有关，交替结构表现为弱交联，重复结构则为强交联。由于盐溶液可以通过其中的阴阳离子分别与聚合物链中的带正电及带负电的基团结合，从而破坏正负电荷基团间的静电相互作用，使得聚两性电解质SHGs具有优异的可拉伸性、自修复性、自粘性、导电性及形状记忆性。Sun等［15］利用带负电荷的磺酸盐与带正电荷的季铵盐单体聚合，得到了具有高韧性和高粘弹性的聚两性电解质SHG。Zhang等［16］通过将弱阳离子单体引入到聚两性电解质水凝胶体系中，并与强阳离子单体和强阴离子单体共聚，得到了一种具有形状记忆功能、自增强性、自修复性及导电性的聚两性电解质SHG，可用于柔性传感等领域。Wu等［17］将阳离子单体丙烯酰氧乙基三甲基氯化铵（DMAEA-Q）、阴离子单体对苯乙烯磺酸钠（NaSS）及物理交联剂甲基丙烯酸2-脲基乙酯（UM）作为构筑单元，制备了一种具有盐介导形状记忆功能、离子导电性、高拉伸性和自修复性的聚两性电解质SHG，可用作形状记忆传感器与应力传感器。

1.2 天然高分子类SHGs

1.2.1 壳聚糖SHGs

壳聚糖是甲壳素脱除部分乙酰基后的产物，具有良好的生物相容性、细胞亲和性与生物可降解性［18］。Fu等［19］借助于Zn2+的配位键合作用，构筑了一种可用于固态电化学传感的壳聚糖SHG。Lou等［20］借助于β-CD与酚酞间的主-客体识别作用，构筑了一种可用作药物释放载体的壳聚糖SHG。Deng等［21］借助于腺嘌呤间的氢键相互作用，构筑了一种具有可注射、自修复及抗菌性能的壳聚糖SHG。Ding等［22］借助于CB［8］与苯丙氨酸（Phe）间的主-客体识别作用，构筑了一种具有刺激响应性的壳聚糖SHG。

1.2.2 透明质酸SHGs

透明质酸（HA）是一种由N-乙酰氨基葡糖（NADG）与D-葡糖醛酸（DGA）单元重复交替连接而成的天然的高分子黏多糖，是皮肤、关节润滑液、玻璃体及软骨组织等的重要组分，具有良好的生物相容性与生物可降解性。Ouyang等［23］借助于β-CD与Ad间的主-客体识别作用，构筑了一种具有剪切变稀以及自修复性质的透明质酸SHG。Zhao等［24］将含偶氮苯与含β-CD的HA混合，构筑了一种具有光响应性的透明质酸SHG，可用作加速伤口愈合的医用敷料。Wu等［25］借助于偶氮苯与β-CD间的主-客体识别作用，构筑了一种具有红光响应性、可逆力学性能、粘附性及自修复性能的透明质酸SHG。

1.2.3 多肽SHGs

多肽具有良好的生物相容性和生物可降解性，它们能通过氢键及静电相互作用等方式自组装形成SHGs。而且，由于氨基和羧基基团的质子化与脱质子化程度的改变，pH能显著影响凝胶网络中的静电相互作用及氢键的强度和密度，使得多肽SHGs具有良好的刺激响应性［26］。Cringoli等［27］以肽链Phe-Phe-Leu和Phe-Phe-Leu-Asp-Val作为凝胶因子，构筑了一种多肽SHG，并成功模拟了细胞外基质的纤维连接蛋白功能。Contreras-Montoya等［28］构筑了一种多肽SHG，从中生长的胰岛素晶体具有较高的热稳定性和较慢的释放曲线。Chakraborty等［29］构筑了一种具有抗菌、导电特性的多肽SHG，可用于心脏组织工程。Sugiura等［30］利用含腙的多肽构筑了一种具有化学刺激响应性的SHG，可用于生物活性物质的可控包封与释放。Redondo-Gómez等［31］借助于CB［8］与含有芳香氨基酸残基的多肽纳米纤维间的主-客体识别作用，构筑了一种可用作细胞培养基质的多肽SHG。

1.2.4 DNA SHGs

由于DNA具有序列可设计性、精确识别性、结构刚性及良好的生物相容性和生物可降解性，DNA是一类性能优良的SHGs构筑材料［32］。Zhang和Yam［33］通 过 将 炔 基 铂（II）三 吡 啶 配 合 物［Pt（bzimpy）Cl］+与双链DNA在水溶液中混合，借助于［Pt（bzimpy）Cl］+与DNA链间的静电相互作用，构筑了一种动力学性质可控且凝胶-溶胶转变行为可调的DNA SHG。Sontakke等［34］将短的DNA片段接枝到聚丙烯酰胺（PAM）链上，借助于DNA杂交介导的自组装，构筑了一种结构可调的宏观DNA SHG。Yang等［35］将分枝的DNA作为凝胶因子，构筑了一种具有剪切稀释及温度和金属离子响应特性的DNA SHG。

2 SHGs的应用

SHGs具有优异的自修复性、刺激响应性和可适应性等动态性，以及良好的生物相容性和生物可降解性，在生物医药、柔性传感、防污材料、细胞培养、能源存储和转换及水处理等诸多领域中均展现出诱人的应用前景。

2.1 生物医药

SHGs具有良好的生物相容性和生物可降解性，在药物递送［36-37］、医用敷料［38-39］、组织工程［40］等生物医药领域中具有广阔的应用前景。

药物递送是指借助载体或介质，使药物分子在体内靶向递送，从而达到治疗疾病的目的。Wang等［41］利用氧化石墨烯（GO）与季铵化聚合物间的静电相互作用，以及α-CD与PEG间的主-客体识别作用，构筑了一种NIR/温度/pH刺激响应性SHG，可用作药物递送的载体。Xu等［42］将聚氧乙烯聚氧丙烯醚三嵌段共聚物Pluronic F127和HA作为凝胶因子，借助于β-CD与Ad间的主-客体识别作用，构筑了一种SHG，并将其作为治疗试剂microRNA的药物载体，用于局部缓解肾间质纤维化。Yan等［43］构筑了一种DNA SHG，其可充当间充质干细胞（MCSs）的载体，用于重度骨关节炎的治疗。Yang等［44］以偶联有小分子药物氯霉素（CRB）和肽类药物酪司他肽（YSV）的多肽作为凝胶因子，构筑了一种多肽SHG，并将其用于癌症的组合治疗。Ruan等［45］利用聚N-苯基甘氨酸（PNPG）、PEG和α-CD制备了一种具有NIR和热响应性能的SHG，并将其作为顺铂的载体用于肿瘤的光热治疗。He等［46］构筑了一种近红外光可控的黑磷杂化的多肽SHG，并将其作为蟾蜍灵的载体用于肿瘤的光热治疗。此外，人体的不同组织器官（如胃肠道）或亚细胞结构（如线粒体）的p H存在显著差异，其在炎症、肿瘤或感染等不同的疾病状态下也会发生变化，而且肿瘤细胞的剧烈代谢和快速增殖会使其外环境的pH值（6—7）低于正常细胞的pH值（约7.4）。因此，根据p H值的差异，设计特定p H值响应的SHGs，可实现药物的靶向递送［47］。Patterson等［48］以单取代和二取代的山梨醇衍生物MBS-CO2Me和DBSCONHNH2为凝胶因子，借助于分子间氢键相互作用构筑了一种具有pH刺激响应性的SHG，并利用活性药物成分萘普生证实了其在药物递送中的应用潜能。

作为伤口和感染部位的保护屏障，医用敷料能够吸收伤口渗出液体并为组织再生提供一个湿润环境，从而促进伤口愈合。SHGs具有高吸水、高保水性及良好的生物相容性和亲肤性，因而是一类理想的医用敷料。Zhao等［49］借助于Fe3+与邻苯二酚间的配位键合作用及脲基嘧啶酮改性明胶的四重氢键相互作用，构筑了一种具有快速形状适应性、自修复性、抗氧化性、NIR/p H刺激响应性及优异的止血效果和体外杀菌活性的双网络SHG，其可用作多功能伤口敷料。Zhao等［50］将天然草本大黄酸包埋入经由Fc和β-CD间的主-客体识别作用构筑的SHG中，SHG的三维网络结构能显著提高大黄酸的稳定性，使其药用治疗效率得到显著提升，从而可用作慢性伤口的敷料。Wang等［51］将β-CD修饰的壳聚糖与AgNO3在碱性环境下混合，制备得到的SHG可通过静电作用及主-客体识别作用来包覆阴离子药物双氯芬酸钠（DS），其可用于治疗细菌感染及促进伤口愈合。

SHGs具有良好亲水性及独特的三维交联网络结构，可为细胞提供一个亲水的三维环境，这有利于细胞的生长和繁殖，因此在组织工程领域中有良好的应用前景［39］。Yuan等［52］构 筑 了 一 种高渗透性DNA SHG，其能有效促进脊髓全横断损伤后的神经发生和功能修复。Wang等［53］借助于氢键与疏水效应，构筑了一种生物环境适应性SHG，并探究了其在胃穿孔愈合中的应用潜能。

2.2 柔性传感

传感器是一类能对特定信息做出响应，并且能将其转换为电信号或光信号等可检测信号的分析工具或系统［54-56］。水凝胶通常质地柔软且具有良好的生物相容性，因而其常被用于柔性传感等领域中。传统的水凝胶尽管也能对外部刺激作出一定程度的响应，但存在响应速度慢等不足。相比之下，SHGs具有良好的刺激响应性，且与刺激强度及刺激类型密切相关，因而在柔性传感领域中有很好的应用前景［57-58］。Li等［59］借助于Fc与β-CD间的主-客体识别作用构筑了一种SHG，并将其用于肿瘤标志物溶血磷脂酸（LPA）的定量分析。Zhi等［60］以聚乙烯醇（PVA）和聚离子液体作为凝胶因子，构筑了一种SHG气体传感器，并将其用于NO2和NH3的定量分析。Fan等［61］利用石墨烯、PVA、聚多巴胺（PDA）以及银纳米粒子（AgNPs）构筑了一种导电性SHG，可用于应力的超灵敏传感。Zhang等［62］利用海藻酸钠纳米纤维与PAM，构建了一种具有高透明度、高拉伸性、高韧性等优良力学性能的SHG，其对NaCl等盐类物质具有很好的响应性，可作为离子传感器应用于运动监控、人机交互界面及软体机器人等柔性传感领域中。Zhu等［63］通过将银纳米线利用模板辅助的方法印刷在由聚（3-（甲基丙烯酰氨基）丙基三甲基氯化铵）（PMPTC）、聚（对苯乙烯磺酸钠）（PNaSS）及NaCl构成的SHG上，所制备的杂化导电水凝胶体系具有优异的电学与机械性能，可作为应力传感器被用于柔性电子领域中。Chen等［64］通过将NaCl加入到由PVA与PAM组成的双网络水凝胶中，制备得到了具有优异机械性能、高导电能力及良好抗冻性的SHG，适用于低温环境下的电子皮肤、可穿戴设备及生物传感等方面。Ren等［65］利用甲基丙烯酸羟乙酯（HEMA）、PVA与甲基丙烯酰乙基磺基甜菜碱（SBMA）的共聚物制备了一种抗溶胀导电性SHG，其可作为监测水下运动信号的应力传感器。Peng等［66］利用由PVA、聚乙烯亚胺（PEI）、4-甲酰苯甲酸（Bn）和MXene组成的SHG，制备了一种应力传感器，其可以有效检测假肢不同部位的运动状况及明确识别运动方向，可用于电子皮肤、软体机器人、健康监测以及人机交互界面等柔性传感领域。

2.3 防污材料

SHGs是一类高度亲水的材料，可以有效降低细菌、蛋白质等生物分子、藻类物质等在物体表面的附着，因而具有很好的防污能力。Yu等［67］以N-丙烯酰氨基丙酰胺（NAAA）为单体，制备得到了一种超软且具有高溶胀性能的SHG，其具有优异的防污能力，有望成为完全防止术后组织粘连的屏障生物材料。类似地，Zhao等［68］通过将N-丙烯酰甘氨酰胺（NAGA）单 体 与N-（2-羟 丙 基）甲 基 丙 烯 酰 胺（HPMA）单体共聚，制备得到了一种可用于预防术后和复发性粘连的可注射防污自融合SHG。Wang等［69］通过将NAGA单体与羧基甜菜碱丙烯酰胺（CBAA）单体共聚，制备得到了一种具有超高吸水性的防污SHG，可用作人工玻璃体。Wang等［70］制备了一种具有优异防污性能的SHG，并将其用作一种可实时可视化/电化学双模监测血铅消除的智能血液灌流装置。

2.4 细胞培养

SHGs具有良好的生物相容性、非常低的细胞毒性及高度亲水的三维网络结构，可为细胞的生长与附着提供一个适当的环境，在细胞培养领域中有很好的应用前景［71-72］。Bian等［73］构筑了一种具有温度和离子双重响应性的SHG，并将其作为胞外基质用于细胞培养。Chen等［74］构筑了一种具有快速剪切变稀及剪切应变停止后的快速恢复特性的多肽SHG，其可作为3D细胞培养的基质。Godbe等［75］构筑了一种可以调节神经元表型的多肽SHG，并将其用于神经元细胞的3D培养。

2.5 能源存储与转换

SHGs具有极高的吸水、保水性，能够吸收大量的电解质溶液。此外，他们的富水环境和多孔微结构允许电荷载体在孔隙中快速穿梭，从而实现导电及能量传输等功能。因此，SHGs有望在能源存储和转换领域中获得广泛的应用［2］。Cao等［76］利用壳聚糖构筑了一种SHG，并将其作为固态电解质用于电化学能源存储。Li等［77］构筑了一种基于PVA和聚苯胺（PANI）的导电SHG，利用该SHG制备的柔性固态超级电容器具有优异的电容和能量密度，以及出色的机械稳定性。Mo等［78］通过将聚吡咯电极层集成到由丝素蛋白构成的SHG中，制备得到了一种具有自修复、无折痕特性的全聚合物超级电容器。Gu等［79］制备了一种基于鸟苷G-四链体与PAM的SHG，并将其作为电解质制备了一种具有超高拉伸性能和防水能力的锌空电池。

2.6 水处理

水污染不仅会对生态环境及社会的可持续发展造成不利影响，也会严重危害人类健康。水处理不仅能有效缓解水资源短缺的问题，也是改善生态环境，以及提高人类生活质量的重要手段。SHGs的三维网络结构可以包含大量的结合位点，能够与水中的重金属离子、抗生素、染料等有机污染物结合，因而在水处理中具有很好的应用前景［80］。Ding等［81］利用石墨烯量子点（GQDs）构筑了一种pH响应性SHG，其可用于水体中铀（IV）的去除。Qiao等［82］构筑了一种Cu/壳聚糖/硅酸盐SHG，可用于高效去除污水中的四环素。Hou等［83］借助于β-CD与Ad间的主-客体识别作用，构筑了一种SHG，其可作为吸附剂用于污水中双酚A（BPA）、4-氨基偶氮苯、亚甲基蓝（MB）及罗丹明B（RhB）等有机染料的去除。

3 结语

为满足人类的生产与生活需求，种类繁多的SHGs已经被制备出来，且在诸如生物医药、柔性传感、防污材料、细胞培养、能源存储与转换，以及水处理等领域中均具有巨大的潜在应用价值。由于SHGs具有优异的自修复性、刺激响应性和可适应性等动态性，以及良好的生物相容性和生物可降解性，有理由相信它们在未来将会于更多领域中为人类的生产及生活提供更大的帮助和便利，有着更为广阔的应用范围。然而，由于氢键、静电作用及主-客体识别等分子间非共价相互作用存在选择性差、结合强度低等不足，获得具有高度特异性刺激性及高机械强度的SHGs仍是一个巨大的挑战。此外，要想在生产与生活中获得长期使用，SHGs的稳定性还需进一步提高。总之，为了让SHGs更加大放异彩，还需要加大投入与研发力度。