水凝膠是由親水的聚合物鏈在水中發(fā)生交聯(lián)后形成的，制備它的方法有很多種，比如靜電作用、共價(jià)化學(xué)鍵交聯(lián)等方法。由于水凝膠含有大量的水，它能被應(yīng)用到很多領(lǐng)域，比如組織工程、藥物釋控、軟電子等領(lǐng)域。傳統(tǒng)水凝膠缺乏強(qiáng)度，容易發(fā)生斷裂，而且它們內(nèi)部的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，缺乏特殊的功能，這很大程度上限制了它們的應(yīng)用。因此，工程應(yīng)用的水凝膠通常是改性的水凝膠。

    分子層面的設(shè)計(jì)可以提高水凝膠的物理化學(xué)性能。例如，可以通過(guò)聚合物鏈的交聯(lián)網(wǎng)狀化提高水凝膠的強(qiáng)度和拉伸性。同理，也可以通過(guò)將水凝膠中的共價(jià)網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)粘接在固體表面，增強(qiáng)水凝膠與固體的粘接性能。具有納米雜化、靜電作用以及其它特性的自修復(fù)水凝膠，在損傷后具有強(qiáng)大的自修復(fù)能力。此外，利用相應(yīng)的技術(shù)對(duì)水凝膠進(jìn)行改造，可以得到不同結(jié)構(gòu)、活性以及功能的水凝膠。甚至，還可以采用編程的方法，對(duì)聚合物鏈的物理化學(xué)性質(zhì)進(jìn)行動(dòng)態(tài)模擬，得到不同結(jié)構(gòu)的水凝膠；3D打印技術(shù)還可以精準(zhǔn)的提供具有不同結(jié)構(gòu)的水凝膠模型。

    研究人員對(duì)水凝膠，特別是對(duì)具有增強(qiáng)型物理化學(xué)性能的工程水凝膠的研究越來(lái)越深入，從具有新型化學(xué)性質(zhì)及組分的水凝膠的設(shè)計(jì)，到對(duì)具有復(fù)雜結(jié)構(gòu)的水凝膠進(jìn)行動(dòng)態(tài)模擬，研究既全面又深入。近，哈佛醫(yī)學(xué)院的Ali Khademhosseini（通訊作者）等人對(duì)水凝膠的設(shè)計(jì)和工程化應(yīng)用以及在多尺度層面優(yōu)化水凝膠特性的方法進(jìn)行了綜述，并以“Advances in engineering hydrogels”為題發(fā)表在了2017年5月5日的Science上。

綜述總覽圖

圖1 具有增強(qiáng)物化性能的工程水凝膠示意圖

    水凝膠的力學(xué)性能已經(jīng)大幅度提高，同時(shí)，其剪切稀化性質(zhì)、自修復(fù)能力和響應(yīng)性質(zhì)也有所增強(qiáng)。此外，已經(jīng)有技術(shù)可以在時(shí)間和空間層面精準(zhǔn)控制它的形狀，結(jié)構(gòu)和構(gòu)造。

1. 水凝膠的形成

    分散在水溶液介質(zhì)中的聚合物鏈通過(guò)多種機(jī)理發(fā)生交聯(lián)后，形成水凝膠。這些機(jī)理包括：物理糾纏、離子反應(yīng)、化學(xué)交聯(lián)等，具體的機(jī)理由聚合物的內(nèi)在特性決定。

圖2 水凝膠的交聯(lián)

（A）由溫度引起的聚合物鏈糾纏；

（B）分子自組裝；

（C）離子凝膠化；

（D）靜電相互作用；

（E）化學(xué)交聯(lián)

 2．水凝膠強(qiáng)度的優(yōu)化

    傳統(tǒng)水凝膠的拉伸能力只幾倍于原長(zhǎng)，而且斷裂能量小于100Jm^-2。因此研究開(kāi)發(fā)高強(qiáng)度、拉伸性能好的水凝膠，并將其應(yīng)用于生物材料、可穿戴設(shè)備等領(lǐng)域，具有非常好的前景。

圖3 水凝膠力學(xué)性能的優(yōu)化

（A）利用長(zhǎng)鏈聚合物和具有可逆物理性質(zhì)的交聯(lián)聚合物制備的可拉伸水凝膠。可拉伸水凝膠可拉伸至原長(zhǎng)的21倍，l為伸長(zhǎng)系數(shù)（松開(kāi)區(qū)域的終長(zhǎng)度／原始長(zhǎng)度）（右圖）；圖中是藻酸鹽、PPAm和藻酸鹽－PPAm的壓縮－伸長(zhǎng)曲線(xiàn)，都是拉伸至水凝膠斷裂

（B）基于滑環(huán)機(jī)理的可拉伸水凝膠。右圖為細(xì)長(zhǎng)的NIPAAM-AAcNa-HPR-C水凝膠和不同水凝膠的應(yīng)力-應(yīng)變曲線(xiàn)，其中(i) NIPAAM-AAcNa-BIS，質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.65，(ii) NIPAAM-AAcNa-BIS，質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.065，(iii) NIPAAM-AAcNa-HPR-C，質(zhì)量分?jǐn)?shù)2.00，(iv) NIPAAM-AAcNa-HPR-C，質(zhì)量分?jǐn)?shù)1.21，(v) NIPAAM-AAcNa-HPR-C，質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.65

（C）水凝膠與光滑表面的*結(jié)合能力。右圖是水凝膠與玻璃結(jié)合后，其剝離過(guò)程；單位寬度水凝膠的剝離力與不同水凝膠與固體結(jié)合的位移

3. 水凝膠的斷裂和修復(fù)

在受到損傷后能自修復(fù)為原始狀態(tài)的水凝膠可以應(yīng)用到很多領(lǐng)域，包括生物醫(yī)藥、表面處理和柔性電子設(shè)備等。在受到外力或者損傷之后，水凝膠在水溶液的環(huán)境中，能夠重新再次反應(yīng)，從而自修復(fù)。這是因?yàn)樗z中的聚合網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)具有可逆而且非常強(qiáng)的物理相互作用，其作用機(jī)理包括：靜電相互作用、氫鍵、疏水作用以及主客體相互作用等。

圖4 具有剪切稀化性質(zhì)和自修復(fù)能力的水凝膠

（A）通過(guò)納米復(fù)合制備的具有剪切稀化性質(zhì)的水凝膠。底圖為納米復(fù)合材料復(fù)原的測(cè)量圖，其測(cè)量方法是水凝膠在不同應(yīng)變條件下（100%應(yīng)變和1%應(yīng)變），測(cè)量復(fù)合材料的模

（B）離子相互作用的自修復(fù)水凝膠。左下圖為不同時(shí)間樣品的復(fù)原情況圖，右下圖是樣品的兩種新切割表面（紅色和藍(lán)色）或者一種新切割和一種舊切割表面（白色）的自修復(fù)情況

（C）氫鍵相互作用的自修復(fù)水凝膠。底圖是經(jīng)過(guò)高pH（pH>9）處理后，在低pH中處理的水凝膠自修復(fù)情況，水凝膠能在酸性溶液中（pH<3）重新修復(fù)

（D）主客體相互作用的自修復(fù)水凝膠。底圖是在NaClO溶液中處理24h后，水凝膠的切口沒(méi)有修復(fù)，但是谷胱甘肽水溶液處理氧化的切口24h后，水凝膠的切口有粘附現(xiàn)象

4．水凝膠的動(dòng)態(tài)模擬

不管是生物體系還是合成體系，它們都不是靜態(tài)的，而是動(dòng)態(tài)的。目前，體系的動(dòng)態(tài)模擬已被廣泛引用。采用它來(lái)模擬水凝膠體系，是一個(gè)很有吸引力的研究方向。水凝膠的動(dòng)態(tài)模擬的方法有很多種，包括：光化降解法、光度圖形法、細(xì)胞響應(yīng)反饋系統(tǒng)法和溫度響應(yīng)變形法。

圖5 水凝膠在微環(huán)境下的動(dòng)態(tài)模擬

（A）光化降解法。利用對(duì)光不穩(wěn)定的性質(zhì)，形成光化降解（左下圖）；輻照條件下，水凝膠表面發(fā)生了腐蝕，尺度為100μm（右下圖）

（B）動(dòng)態(tài)光度圖形法。動(dòng)態(tài)光度圖形和光釋放；利用熒光二次抗體，將圖案主要抗體顯現(xiàn)出來(lái)，從而終光釋放，形成二次圖案，尺度為3mm（底圖）

（C）細(xì)胞響應(yīng)反饋系統(tǒng)法。細(xì)胞響應(yīng)的分裂反饋和逆分裂不反饋系統(tǒng)；底圖為測(cè)量得到的重組體TIMP-3(rTIMP-3)的活性，測(cè)量方法為利用其抑制重組體MMP-2 (rMMP-2)，發(fā)現(xiàn)此過(guò)程中（左圖）TIMP-3沒(méi)有減少M(fèi)MP-2；底圖為含封裝的rTIMP-3（實(shí)心點(diǎn)）、不含封裝的rTIMP-3（空心點(diǎn)）與rMMP-2（方形）或不與rMMP-2（三角形）孵育效果圖，發(fā)現(xiàn)此過(guò)程中，封裝的rTIMP-3使含有rMMP-2的水凝膠降解過(guò)程變?nèi)?/p>

（D）溫度響應(yīng)變形法。溫度響應(yīng)變形水凝膠

5．水凝膠的形變

生物組織具有非常復(fù)雜的結(jié)構(gòu)，許多組織具有分層的組裝結(jié)構(gòu)，從而在納米或者微觀層面具有生物活性。因此，人造生物器官組織必須通過(guò)合理的設(shè)計(jì)，保證其結(jié)構(gòu)特性和生物功能的準(zhǔn)確性，而利用水凝膠制備的柔性制動(dòng)器和電子設(shè)備可能同樣要求精準(zhǔn)的時(shí)間和空間控制，從而達(dá)到呈現(xiàn)出不同功能所需要的非均質(zhì)性。

圖6 水凝膠在宏觀層面的形變

（A）水凝膠通過(guò)形狀互補(bǔ)形成自組裝

（B）利用DNA序列互補(bǔ)膠粘形成自組裝

（C）固定噴嘴的生物打印

（D）通過(guò)具有非平衡腫脹雙層打印結(jié)構(gòu)進(jìn)行4D仿生打印

【總結(jié)和展望】

水凝膠是一種很重要的材料，它含水豐富，物化性能可以在很大范圍內(nèi)發(fā)生改變。一直以來(lái)，研究人員對(duì)水凝膠進(jìn)行了大量的研究，水凝膠的性能也得到了很大程度的增強(qiáng)，應(yīng)用的領(lǐng)域也不斷擴(kuò)大。

但是，水凝膠的幾個(gè)關(guān)鍵難點(diǎn)還一直未解決，具體包括：

（1）水凝膠的臨床醫(yī)學(xué)應(yīng)用還需要更嚴(yán)格的測(cè)試，美國(guó)FDA只批準(zhǔn)了少數(shù)幾種水凝膠在臨床的應(yīng)用；

（2）水凝膠的力學(xué)性能還需要再增強(qiáng)，從而能應(yīng)用到更多的領(lǐng)域；

（3）水凝膠配方與先進(jìn)生物制造技術(shù)的結(jié)合具有很大的潛力，但是還需要進(jìn)行嚴(yán)格優(yōu)化，從而滿(mǎn)足合適的生物制造需求；

（4）印制水凝膠結(jié)構(gòu)可能是動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)的，在材料設(shè)計(jì)的時(shí)候，需要考慮時(shí)間維度，形成4D打印。

盡管如此，研究人員相信，在不久的將來(lái)，隨著技術(shù)和方法的不斷進(jìn)步，具有增強(qiáng)特性的水凝膠可以被制備出來(lái)。終，工程水凝膠也會(huì)根據(jù)其需求和設(shè)計(jì)，得到廣泛的應(yīng)用。

文獻(xiàn)鏈接：Advances in engineering hydrogels （Science，2017，DOI: 10.1126/science.aaf3627）

本文由材料人編輯部高分子小組熊文杰提供，材料牛整理編輯。

轉(zhuǎn)載：Science綜述：工程水凝膠的研究進(jìn)展  作者：yuanyukun888