Science最新综述：工程水凝胶的研究进展

【引言】

水凝胶是由亲水的聚合物链在水中发生交联后形成的，制备它的方法有很多种，比如静电作用、共价化学键交联等方法。由于水凝胶含有大量的水，它能被应用到很多领域，比如组织工程、药物释控、软电子等领域。传统水凝胶缺乏强度，容易发生永久性断裂，而且它们内部的结构简单，缺乏特殊的功能，这很大程度上限制了它们的应用。因此，工程应用的水凝胶通常是改性的水凝胶。

分子层面的设计可以提高水凝胶的物理化学性能。例如，可以通过聚合物链的交联网状化提高水凝胶的强度和拉伸性。同理，也可以通过将水凝胶中的共价网状结构粘接在固体表面，增强水凝胶与固体的粘接性能。具有纳米杂化、静电作用以及其它特性的自修复水凝胶，在损伤后具有强大的自修复能力。此外，利用相应的技术对水凝胶进行改造，可以得到不同结构、活性以及功能的水凝胶。甚至，还可以采用编程的方法，对聚合物链的物理化学性质进行动态模拟，得到不同结构的水凝胶；3D打印技术还可以精准的提供具有不同结构的水凝胶模型。

研究人员对水凝胶，特别是对具有增强型物理化学性能的工程水凝胶的研究越来越深入，从具有新型化学性质及组分的水凝胶的设计，到对具有复杂结构的水凝胶进行动态模拟，研究既全面又深入。最近，哈佛医学院的Ali Khademhosseini（通讯作者）等人对水凝胶的设计和工程化应用以及在多尺度层面优化水凝胶特性的方法进行了综述，并以“Advances in engineering hydrogels”为题发表在了2017年5月5日的Science上。

综述总览图

图1 具有增强物化性能的工程水凝胶示意图

水凝胶的力学性能已经大幅度提高，同时，其剪切稀化性质、自修复能力和响应性质也有所增强。此外，已经有技术可以在时间和空间层面精准控制它的形状，结构和构造。

1. 水凝胶的形成

分散在水溶液介质中的聚合物链通过多种机理发生交联后，形成水凝胶。这些机理包括：物理纠缠、离子反应、化学交联等，具体的机理由聚合物的内在特性决定。

图2 水凝胶的交联

（A）由温度引起的聚合物链纠缠；

（B）分子自组装；

（C）离子凝胶化；

（D）静电相互作用；

（E）化学交联

 2．水凝胶强度的优化

传统水凝胶的拉伸能力只几倍于原长，而且断裂能量小于100Jm^-2。因此研究开发高强度、拉伸性能好的水凝胶，并将其应用于生物材料、可穿戴设备等领域，具有非常好的前景。

图3 水凝胶力学性能的优化

（A）利用长链聚合物和具有可逆物理性质的交联聚合物制备的可拉伸水凝胶。可拉伸水凝胶可拉伸至原长的21倍，l为伸长系数（松开区域的最终长度／原始长度）（右图）；图中是藻酸盐、PPAm和藻酸盐－PPAm的压缩－伸长曲线，都是拉伸至水凝胶断裂

（B）基于滑环机理的可拉伸水凝胶。右图为细长的NIPAAM-AAcNa-HPR-C水凝胶和不同水凝胶的应力-应变曲线，其中(i) NIPAAM-AAcNa-BIS，质量分数0.65，(ii) NIPAAM-AAcNa-BIS，质量分数0.065，(iii) NIPAAM-AAcNa-HPR-C，质量分数2.00，(iv) NIPAAM-AAcNa-HPR-C，质量分数1.21，(v) NIPAAM-AAcNa-HPR-C，质量分数0.65

（C）水凝胶与光滑表面的超强结合能力。右图是水凝胶与玻璃结合后，其剥离过程；单位宽度水凝胶的剥离力与不同水凝胶与固体结合的位移

3. 水凝胶的断裂和修复

在受到损伤后能自修复为原始状态的水凝胶可以应用到很多领域，包括生物医药、表面处理和柔性电子设备等。在受到外力或者损伤之后，水凝胶在水溶液的环境中，能够重新再次反应，从而自修复。这是因为水凝胶中的聚合网状结构具有可逆而且非常强的物理相互作用，其作用机理包括：静电相互作用、氢键、疏水作用以及主客体相互作用等。

图4 具有剪切稀化性质和自修复能力的水凝胶

（A）通过纳米复合制备的具有剪切稀化性质的水凝胶。底图为纳米复合材料复原的测量图，其测量方法是水凝胶在不同应变条件下（100%应变和1%应变），测量复合材料的模

（B）离子相互作用的自修复水凝胶。左下图为不同时间样品的复原情况图，右下图是样品的两种新切割表面（红色和蓝色）或者一种新切割和一种旧切割表面（白色）的自修复情况

（C）氢键相互作用的自修复水凝胶。底图是经过高pH（pH>9）处理后，在低pH中处理的水凝胶自修复情况，水凝胶能在酸性溶液中（pH<3）重新修复

（D）主客体相互作用的自修复水凝胶。底图是在NaClO溶液中处理24h后，水凝胶的切口没有修复，但是谷胱甘肽水溶液处理氧化的切口24h后，水凝胶的切口有粘附现象

4．水凝胶的动态模拟

不管是生物体系还是合成体系，它们都不是静态的，而是动态的。目前，体系的动态模拟已被广泛引用。采用它来模拟水凝胶体系，是一个很有吸引力的研究方向。水凝胶的动态模拟的方法有很多种，包括：光化降解法、光度图形法、细胞响应反馈系统法和温度响应变形法。

图5 水凝胶在微环境下的动态模拟

（A）光化降解法。利用对光不稳定的性质，形成光化降解（左下图）；辐照条件下，水凝胶表面发生了腐蚀，尺度为100μm（右下图）

（B）动态光度图形法。动态光度图形和光释放；利用荧光二次抗体，将图案主要抗体显现出来，从而最终光释放，形成二次图案，尺度为3mm（底图）

（C）细胞响应反馈系统法。细胞响应的分裂反馈和逆分裂不反馈系统；底图为测量得到的重组体TIMP-3(rTIMP-3)的活性，测量方法为利用其抑制重组体MMP-2 (rMMP-2)，发现此过程中（左图）TIMP-3没有减少MMP-2；底图为含封装的rTIMP-3（实心点）、不含封装的rTIMP-3（空心点）与rMMP-2（方形）或不与rMMP-2（三角形）孵育效果图，发现此过程中，封装的rTIMP-3使含有rMMP-2的水凝胶降解过程变弱

（D）温度响应变形法。温度响应变形水凝胶

5．水凝胶的形变

生物组织具有非常复杂的结构，许多组织具有分层的组装结构，从而在纳米或者微观层面具有生物活性。因此，人造生物器官组织必须通过合理的设计，保证其结构特性和生物功能的准确性，而利用水凝胶制备的柔性制动器和电子设备可能同样要求精准的时间和空间控制，从而达到呈现出不同功能所需要的非均质性。

图6 水凝胶在宏观层面的形变

（A）水凝胶通过形状互补形成自组装

（B）利用DNA序列互补胶粘形成自组装

（C）固定喷嘴的生物打印

（D）通过具有非平衡肿胀双层打印结构进行4D仿生打印

【总结和展望】

水凝胶是一种很重要的材料，它含水丰富，物化性能可以在很大范围内发生改变。一直以来，研究人员对水凝胶进行了大量的研究，水凝胶的性能也得到了很大程度的增强，应用的领域也不断扩大。

但是，水凝胶的几个关键难点还一直未解决，具体包括：

（1）水凝胶的临床医学应用还需要更严格的测试，美国FDA只批准了少数几种水凝胶在临床的应用；

（2）水凝胶的力学性能还需要再增强，从而能应用到更多的领域；

（3）水凝胶配方与先进生物制造技术的结合具有很大的潜力，但是还需要进行严格优化，从而满足合适的生物制造需求；

（4）印制水凝胶结构可能是动态调节的，在材料设计的时候，需要考虑时间维度，形成4D打印。

尽管如此，研究人员相信，在不久的将来，随着技术和方法的不断进步，具有增强特性的水凝胶可以被制备出来。最终，工程水凝胶也会根据其需求和最优的设计，得到广泛的应用。

文献链接：Advances in engineering hydrogels（Science，2017，DOI: 10.1126/science.aaf3627）

本文由材料人编辑部高分子小组熊文杰提供，材料牛整理编辑。

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