郝婉瑩

(陽(yáng)煤集團(tuán)太原化工新材料有限公司，山西 太原 030000)

引 言

水凝膠是一類(lèi)富含水的由三維交聯(lián)聚合物網(wǎng)絡(luò)組成的軟材料。水凝膠具有類(lèi)似于生物組織的富水軟結(jié)構(gòu)，有望在生物醫(yī)學(xué)中得到廣泛的應(yīng)用[1-3]。如，水凝膠為細(xì)胞培養(yǎng)提供了平臺(tái)，因此在基于干細(xì)胞的組織工程中發(fā)揮著關(guān)鍵作用[4]。此外，水凝膠被認(rèn)為是人工器官有前途的替代品[5]。最近，關(guān)于聚合物網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的研究使得具有優(yōu)異力學(xué)性能的水凝膠的合理設(shè)計(jì)成為可能，這使得實(shí)現(xiàn)再生醫(yī)學(xué)應(yīng)用的長(zhǎng)期目標(biāo)更加可能。

生物系統(tǒng)和合成水凝膠之間的相似性經(jīng)常被強(qiáng)調(diào)，但值得注意的是它們的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)有很大的不同。大多數(shù)水凝膠是通過(guò)聚合反應(yīng)或在水介質(zhì)中均勻溶解的分子組合而成，因此，合成的聚合物網(wǎng)絡(luò)通常是各向同性的。相反地，許多生物系統(tǒng)具有明確的分層結(jié)構(gòu)，這些結(jié)構(gòu)在宏觀(guān)長(zhǎng)度尺度上具有各向異性，如，肌肉、皮膚和關(guān)節(jié)軟骨。在生物系統(tǒng)中，各向異性在實(shí)現(xiàn)某些功能上往往發(fā)揮著至關(guān)重要的作用，包括傳質(zhì)、表面潤(rùn)滑和力的產(chǎn)生。一個(gè)典型的例子，肌收縮是肌動(dòng)蛋白和肌球蛋白在肌肌節(jié)中各向異性排列的結(jié)果[6]。并且，培養(yǎng)介質(zhì)的各向異性結(jié)構(gòu)對(duì)細(xì)胞的增殖、遷移和分化有很大的影響。

考慮到這些方面，各向異性水凝膠無(wú)疑為探索水凝膠的仿生應(yīng)用提供了一個(gè)很好的切入點(diǎn)。到目前為止已經(jīng)報(bào)道了各種類(lèi)型的各向異性水凝膠。為了制備具有各向異性微觀(guān)結(jié)構(gòu)的水凝膠，最常用的方法是在前驅(qū)體彌散中定向1D或2D納米填料，并通過(guò)凝膠化過(guò)程固定各向異性結(jié)構(gòu)[圖1a)]。同時(shí)，最直接的方法是用一直能夠各向異性的方法來(lái)固定聚合物網(wǎng)絡(luò)的鏈的方向式[圖1b)]。此外，當(dāng)水凝膠具有管道狀的空隙時(shí)，這些管道的單向取向也會(huì)使水凝膠呈現(xiàn)各向異性[圖1c)]。本文對(duì)最近報(bào)道的各向異性水凝膠的合成、結(jié)構(gòu)和應(yīng)用進(jìn)行了分類(lèi)和討論。

圖1 各向異性水凝膠的分類(lèi)

1 各向異性水凝膠的制備

各向異性水凝膠的合成一般采用方向刺激，如，機(jī)械力、磁場(chǎng)和電場(chǎng)、溫度梯度和離子梯度等。本節(jié)介紹這些合成方法的范圍和局限性，根據(jù)水凝膠的類(lèi)型應(yīng)選擇合適的制備方法。

1.1 具有定向納米填料的各向異性水凝膠

當(dāng)分散在水介質(zhì)中的納米填料被剪切時(shí)，納米填料傾向于使其長(zhǎng)軸平行于剪切方向第17頁(yè)圖2a)。由此產(chǎn)生的定向結(jié)構(gòu)不是永恒的，可以通過(guò)事先加入分散體的單體原位聚合轉(zhuǎn)化為各向異性水凝膠[7-12]。通過(guò)水凝膠化固定結(jié)構(gòu)也適用凝膠的物理聚集。剪切力取向由于其簡(jiǎn)單、容易，已廣泛應(yīng)用于合成含有各種1D或2D形狀納米填料的各向異性水凝膠，包括天然或合成肽納米纖維、纖維素納米纖維、表面活性劑雙層、無(wú)機(jī)納米填料等。由于這種方法的局限性，剪切力不能均勻地施加在厚試樣上，加工過(guò)程中偶爾會(huì)出現(xiàn)重復(fù)性低的問(wèn)題，特別是手工施加剪切力時(shí)。

電場(chǎng)還可以永久地使納米填料取向或誘導(dǎo)偶極矩與外加電場(chǎng)平行排列。各向異性水凝膠是由電定向分散體原位水凝膠合成的[圖2b)]。特別是，微模式電極使定向納米填料在水凝膠薄膜中的精確定位成為可能，從而提供其他方法通常難以獲得的分層結(jié)構(gòu)。需要注意的是，電場(chǎng)可能會(huì)引起不需要的電化學(xué)分解和電泳。為了避免這些問(wèn)題，往往需要對(duì)電壓、電流頻率、試樣厚度等條件進(jìn)行優(yōu)化。到目前為止，電定向法已經(jīng)被用于合成含功能化碳納米管、黏土納米片、納米銀線(xiàn)、絲納米纖維、和鈦酸鋇顆粒的各向異性水凝膠[13-15]。

與電場(chǎng)類(lèi)似，磁場(chǎng)可用于制備各向異性水凝膠，其中，納米填料的磁化軸與外加磁場(chǎng)平行或反平行[圖2b)]。與剪切力和電場(chǎng)不同，磁場(chǎng)可以以非接觸、非破壞性的方式施加，并且可以深入均勻地滲透到試樣中。因此，磁性取向很容易應(yīng)用于制備厚度較大或尺寸較大的體積各向異性水凝膠。當(dāng)納米填充物是鐵磁性或順磁性的，甚至是手持式的強(qiáng)度小于1T的磁鐵場(chǎng)均可以有效地定向這種納米填料。如，磁鐵礦顆粒、鋇鐵氧體和羰基鐵以及鎳棒和磁性涂層氧化鋁片晶。雖然這種弱的手持式磁體一般不足以定向抗磁性納米填料，但超導(dǎo)磁體[16-18](強(qiáng)度達(dá)幾特斯拉)可以有效地定向它們，如，肽納米纖維、多糖、功能化碳納米管、膠束、脂質(zhì)雙層、石墨烯氧化物、無(wú)機(jī)納米薄片等。近年來(lái)，超導(dǎo)技術(shù)的進(jìn)步使得這種強(qiáng)磁體易于獲得，這種方法得到了廣泛的應(yīng)用。

即使在沒(méi)有方向刺激的情況下，一些高縱橫比的納米填料在其水分散體的過(guò)濾過(guò)程中也會(huì)自發(fā)地進(jìn)行定向，從而形成各向異性水凝膠。在這種情況下，取向是由納米填料的固有特性引起的，即使其長(zhǎng)軸平行于固液界面。

圖2 各向異性水凝膠的制備方法

1.2 具有定向聚合物鏈網(wǎng)絡(luò)的水凝膠

為了合成具有定向聚合物鏈網(wǎng)絡(luò)的水凝膠[圖1b)]，必須對(duì)未捆綁的聚合物鏈進(jìn)行定向，這些聚合物鏈太小，無(wú)法對(duì)剪切力、電場(chǎng)和磁場(chǎng)的方向刺激作出反應(yīng)。這里最常見(jiàn)的方法是機(jī)械變形凝膠網(wǎng)絡(luò)。當(dāng)由簡(jiǎn)單的聚合物鏈網(wǎng)絡(luò)組成的各向同性水凝膠被單向壓縮或拉伸時(shí)，凝膠網(wǎng)絡(luò)相應(yīng)地發(fā)生各向異性變形[圖2c)]?？梢酝ㄟ^(guò)原位聚合來(lái)固定由此引起的時(shí)間各向異性，從而得到各向異性水凝膠。在某些情況下，由于體系的塑性性質(zhì)，壓縮或拉伸引起的變形不發(fā)生原位聚合而保持原位不變。由于該方法的局限性，作為前驅(qū)體的各向同性水凝膠必須承受較大的力，才能使凝膠網(wǎng)絡(luò)發(fā)生足夠的變形。

作為一種替代方法，定向離子擴(kuò)散也可以制備定向聚合物鏈網(wǎng)絡(luò)的水凝膠[圖2d)][19-22]。通常，容器中充滿(mǎn)陰離子聚合物的水溶液，容器的一端與含有多價(jià)陽(yáng)離子的水溶液接觸，使陽(yáng)離子定向擴(kuò)散。隨著擴(kuò)散的進(jìn)行，陰離子聚合物鏈呈各向異性交聯(lián)，形成具有定向聚合物鏈網(wǎng)絡(luò)的水凝膠。各種陰離子聚合物被用作這種網(wǎng)絡(luò)的組成部分，包括多糖、海藻酸、海藻酸葡聚糖和合成的聚(磺酸)。如，Ca2+、Zn2+、Cu2+、二價(jià)離子等作為它們的對(duì)應(yīng)陽(yáng)離子被使用。盡管這一合成過(guò)程簡(jiǎn)單，但擴(kuò)散方向與聚合物鏈取向之間的關(guān)系尚未得到明確的闡述。此外，合成的水凝膠的交聯(lián)密度是不均勻的，沿?cái)U(kuò)散方向呈梯度分布。

1.3 具有定向空腔通道的水凝膠

以定向生長(zhǎng)的冰晶為模板可以合成具有定向空腔通道的水凝膠[圖1c)][23-24]。當(dāng)裝滿(mǎn)單體水溶液的容器從一端緩慢浸入液氮浴中時(shí)，單體集中在非晶區(qū)域，冰晶從浸入端單向生長(zhǎng)。這些結(jié)構(gòu)域內(nèi)的單體可以高效聚合，冰晶作為多孔結(jié)構(gòu)的模板[圖2e)]。合成的水凝膠具有與凍結(jié)方向平行排列的微米級(jí)通道。由于通道相對(duì)較寬(幾微米)，因此生成的水凝膠是半透明的，且不均勻。不僅可以利用冰晶，而且可以利用醋酸鈉晶體在室溫下定向生長(zhǎng)，作為定向空腔通道的模板。該方法合成的水凝膠往往表現(xiàn)出顯著的各向異性。

1.4 具有各向異性微組裝結(jié)構(gòu)的水凝膠

本文主要介紹了自底向上方法合成的各向異性水凝膠。然而，最近的以光刻和3D打印為代表的自頂向下微加工技術(shù)也可以制備出與上述方法類(lèi)似的具有復(fù)雜微觀(guān)結(jié)構(gòu)的水凝膠[25]。盡管可伸縮性始終是個(gè)問(wèn)題，但自頂向下的方法有時(shí)比自底向上的方法更具可編程性。

在光刻法制備中，含有單體和光引發(fā)劑的母水凝膠通過(guò)光刻掩膜暴露在光下，使聚合發(fā)生在選定的區(qū)域，具有較高的定位精度。不同單體的分步光聚合可形成相互疊加的具有復(fù)雜多微結(jié)構(gòu)的各向異性水凝膠。

水凝膠3D打印技術(shù)可用于制備復(fù)雜形狀的水凝膠。水凝膠前體油墨必須柔軟，便于注射，但要保持其形狀，必須能夠獨(dú)立，并能在光輻照等刺激下迅速凝膠化。當(dāng)水凝膠前驅(qū)體包含高縱橫比的納米填料(如，纖維素納米纖維)時(shí)，前驅(qū)體從打印機(jī)噴嘴擠出，納米填料可以通過(guò)剪切力定向[26]。因此，可以得到獨(dú)特的層次結(jié)構(gòu)。

2 各向異性水凝膠的應(yīng)用

許多天然組織都具有定向結(jié)構(gòu)，如，肌肉、肌腱、神經(jīng)、關(guān)節(jié)軟骨、韌帶、脊髓等，這與它們的生理和機(jī)械功能密切相關(guān)。在本節(jié)將討論所選的各向異性水凝膠，在機(jī)械、驅(qū)動(dòng)、傳質(zhì)、細(xì)胞培養(yǎng)和電導(dǎo)率等方面表現(xiàn)出的獨(dú)特性能。

2.1 各向異性的機(jī)械性能

在過(guò)去的二十年中，已經(jīng)開(kāi)發(fā)出了許多機(jī)械韌性水凝膠，如，雙網(wǎng)型、滑環(huán)型、黏土納米復(fù)合水凝膠等。之后，機(jī)械各向異性成為該領(lǐng)域的一個(gè)重要挑戰(zhàn)。評(píng)估水凝膠的力學(xué)各向異性的參數(shù)叫做各向異性系數(shù)，分別測(cè)量其平行于水凝膠方向和垂直于水凝膠方向的物理性質(zhì)(彈性模量、最大斷裂應(yīng)力、應(yīng)變、斷裂能量等)，兩個(gè)方向的物理參數(shù)之比稱(chēng)為各向異性系數(shù)。

含有各向異性取向的一維和二維納米填料的水凝膠也傾向于表現(xiàn)出機(jī)械各向異性。由于各向異納米填料與凝膠網(wǎng)絡(luò)之間的非共價(jià)吸引相互作用，以各向異性的方式使得交聯(lián)點(diǎn)的數(shù)量增多，因此這種各向異性納米填料通常用作水凝膠的增強(qiáng)劑。所以，強(qiáng)化優(yōu)先發(fā)生在納米填料的長(zhǎng)軸上。如，Shikinaka等報(bào)道了一種含有剪切流導(dǎo)向柱狀無(wú)機(jī)黏土納米管的水凝膠在拉伸試驗(yàn)中表現(xiàn)出3.0的模量各向異性。同樣，西田文雄等報(bào)道了一種含有定向膠原纖維的水凝膠，經(jīng)滾子剪切后，其模量各向異性可達(dá)7。

關(guān)節(jié)軟骨一直被認(rèn)為是機(jī)械各向異性材料的理想模型。其優(yōu)異的力學(xué)性能源于靜電斥力，靜電斥力在其組分(蛋白聚糖)之間各向異性作用，使接觸關(guān)節(jié)組織的界面機(jī)械摩擦即使在高壓縮下也能得到潤(rùn)滑[27-28]。這種設(shè)計(jì)策略與大多數(shù)基于吸引力的合成固體材料的設(shè)計(jì)策略形成了對(duì)比。受關(guān)節(jié)軟骨設(shè)計(jì)的啟發(fā)，Ishida、Aida等開(kāi)發(fā)了一種帶有鈦酸鹽離子納米薄片的水凝膠，它具有磁性。與其他氧化物納米片不同，鈦酸鹽納米片與外加磁場(chǎng)垂直排列，形成納米片的共面排列，可產(chǎn)生最大的靜電斥力。在水凝膠中，各向異性靜電斥力使摩擦沿一個(gè)方向衰減，同時(shí)增強(qiáng)與該方向正交的材料，導(dǎo)致力學(xué)各向異性;剪切和壓縮試驗(yàn)的模量各向異性分別為4.3和2.6。由于這種特殊的力學(xué)各向異性，水凝膠在平行于納米薄片的振動(dòng)方面表現(xiàn)出良好的性能。

2.2 各向異性的驅(qū)動(dòng)性質(zhì)

人工肌肉是材料科學(xué)的一個(gè)長(zhǎng)期目標(biāo)，水凝膠致動(dòng)器被認(rèn)為是最有前途的選擇[29]。當(dāng)以響應(yīng)外力的聚合物合成水凝膠時(shí)，周?chē)芤?如，溫度、pH值、化合物濃度)的變化會(huì)引起聚合物鏈的構(gòu)象轉(zhuǎn)變，導(dǎo)致凝膠網(wǎng)絡(luò)的膨脹和收縮，進(jìn)而引起水凝膠體積的變化。基于這一機(jī)理，目前已開(kāi)發(fā)出許多水凝膠致動(dòng)器。其中，聚(n-異丙基丙烯酰胺)(PNIPA)是該類(lèi)水凝膠致動(dòng)器中研究最為頻繁的構(gòu)件，在32 ℃左右的水中，其相變劇烈且可逆[30]。

由于大多數(shù)水凝膠致動(dòng)器在結(jié)構(gòu)上是各向同性的，所以它們的體積變化在各個(gè)方向上都是一致的。這不適用于在一個(gè)特定方向上獲得最大的力和(或)位移。要解決這個(gè)問(wèn)題，一個(gè)簡(jiǎn)單的方法是使用機(jī)器工程技術(shù)。例如，雙晶結(jié)構(gòu)可以通過(guò)彎曲變形將小體積變化放大為大位移。雖然雙晶結(jié)構(gòu)的變形僅限于簡(jiǎn)單的彎曲，但最近的自頂向下的技術(shù)，如光刻和3D打印可以實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的或程序化的變形。另一種方法是使用內(nèi)部各向異性微觀(guān)結(jié)構(gòu)，這種方法是自頂向下方法的補(bǔ)充，對(duì)于下一代水凝膠驅(qū)動(dòng)器的創(chuàng)建是不可缺少的。

在一項(xiàng)基于內(nèi)部微觀(guān)結(jié)構(gòu)的各向異性水凝膠致動(dòng)器的開(kāi)創(chuàng)性研究中，Sun等開(kāi)發(fā)了一種PEG-PNIPA雜化水凝膠。利用冰晶的定向生長(zhǎng)，在peg基水凝膠的定向溝道狀空隙中形成了基于PNIPA的熱響應(yīng)網(wǎng)絡(luò)。混合水凝膠加熱20 ℃～45 ℃后發(fā)生各向異性收縮，在正交于定向通道的方向上，水凝膠收縮了50%，而沿著通道的收縮只有5%。這表明，基于PEG的支架在平行于通道的方向上限制了PNIPA網(wǎng)絡(luò)的收縮。為了實(shí)現(xiàn)更復(fù)雜的變形，結(jié)合雙晶結(jié)構(gòu)和各向異性的微觀(guān)結(jié)構(gòu)是一種非常有效的方法，Studart等證明了這一點(diǎn)。他們使用含有磁性取向氧化鋁片晶的纖維素或PNIPA基水凝膠條作為雙形態(tài)的成分，由于氧化鋁片晶被超順磁性氧化鐵納米顆粒以最佳比例覆蓋，因此即使在非常弱的磁場(chǎng)(110 mt)下，它們也可以定向。氧化鋁片晶的方向雙晶水凝膠的上、下條帶不同，導(dǎo)致其變形形態(tài)不同。通過(guò)系統(tǒng)地調(diào)整上下條帶中片晶的取向角，對(duì)雙晶型的變形模式進(jìn)行編程，使其發(fā)生卷曲和左右扭轉(zhuǎn)。

Mahadevan、Lewis等利用3D打印技術(shù)成功開(kāi)發(fā)出可編程仿生水凝膠致動(dòng)器。如上所述，由于水凝膠前體中加入的纖維素納米纖維在3D打印過(guò)程中是剪切取向的，因此水凝膠在微觀(guān)結(jié)構(gòu)上是各向異性的。當(dāng)不同方向的水凝膠接觸時(shí)，它們形成類(lèi)似于雙金屬恒溫器的結(jié)構(gòu)。利用水凝膠的固有參數(shù)，如膨脹應(yīng)變和彈性模量，可以對(duì)組合后的弦的變形進(jìn)行預(yù)測(cè)和設(shè)計(jì)。隨著膨脹程度的改變，水凝膠發(fā)生了各種程序性的變形，包括花的開(kāi)閉樣運(yùn)動(dòng)。Kumacheva等利用光刻技術(shù)將平面水凝膠片轉(zhuǎn)化為多個(gè)不同形狀，其中涉及到聚合物組成不同的多個(gè)域。水凝膠片在受到各種刺激(如，pH值、離子濃度和溫度的變化)后發(fā)生膨脹和收縮，表現(xiàn)為平面、螺旋、圓柱、彎曲和鼓形等不同形狀。

水凝膠致動(dòng)器通常是通過(guò)其體積的變化來(lái)操作的，這涉及到水的吸收和釋放。由于水凝膠表面輸運(yùn)緩慢，該機(jī)制存在驅(qū)動(dòng)慢、重復(fù)性低、工作條件范圍窄等局限性，通常僅在水中進(jìn)行。2015年，Ishida、Aida等研制出一種各向異性水凝膠致動(dòng)器，該致動(dòng)器通過(guò)開(kāi)發(fā)一種前所未有的機(jī)制，即調(diào)節(jié)內(nèi)部靜電斥力，解決了上述問(wèn)題。水凝膠由含有磁性取向鈦酸鹽納米薄片的PNIPA網(wǎng)絡(luò)組成，在較低的臨界溶液溫度(LCST)以上加熱時(shí)，PNIPA網(wǎng)絡(luò)發(fā)生脫水，釋放大量自由水分子，導(dǎo)致共面取向納米薄片之間的靜電斥力陡增。因此，水凝膠在1.5 s內(nèi)沿垂直于納米板平面的方向膨脹了170%。冷卻后1.5 s內(nèi)發(fā)生了相反的變化。這些變形是等容的，不涉及水的吸收或釋放，因此即使在戶(hù)外也可以快速操作。利用該系統(tǒng)的可編程性，作者利用傾斜幾何形狀的共面二維電解質(zhì)納米薄片還演示了一個(gè)水凝膠物體的單向處理運(yùn)動(dòng)。

2.3 各向異性的傳質(zhì)性能

由于水分子內(nèi)部具有半流體性質(zhì)，水凝膠允許小分子在水凝膠基質(zhì)中擴(kuò)散和滲透，通過(guò)凝膠網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)可以合理調(diào)節(jié)水凝膠的擴(kuò)散和滲透速率。這些特性使水凝膠成為各種生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用的有希望的材料，包括作為膜、藥物載體和組織工程的支架。基于這些方面，水凝膠的各向異性擴(kuò)散問(wèn)題無(wú)疑引起人們的廣泛關(guān)注。

在一項(xiàng)開(kāi)拓性的研究中，Schmidt、Finkelmann等報(bào)道了在含有磁性取向?qū)訝钊苄砸壕У乃z中各向異性水?dāng)U散。溶解性液晶由水(約60%)與PEG鏈和芳香基團(tuán)(約40%)組成的可聚合雙親分子(約40%)混合而成。在磁場(chǎng)的作用下，液晶層垂直于所施加的磁場(chǎng)，隨后兩親體的原位聚合制備了目標(biāo)水凝膠。采用脈沖場(chǎng)梯度技術(shù)進(jìn)行核磁共振波譜分析，確定水凝膠中水分子沿液晶層法線(xiàn)平行和垂直方向的自擴(kuò)散系數(shù)分別為0.4×10-10m2s-1和5.3×10-10m2s-1。水?dāng)U散的各向異為13，說(shuō)明在層間擴(kuò)散優(yōu)于沿層擴(kuò)散?；谕瑯拥募夹g(shù)，觀(guān)察到水分子在另外兩種水凝膠中的各向異性擴(kuò)散，一種是含有磁取向六邊形柱狀溶性液晶的水凝膠，另一種是多糖硼砂水凝膠，多糖硼砂水凝膠被機(jī)械壓縮以進(jìn)行各向異性誘導(dǎo)。

核磁共振波譜可以用來(lái)定量評(píng)價(jià)介觀(guān)尺度上擴(kuò)散的各向異性，而宏觀(guān)尺度上的各向異性則可以通過(guò)監(jiān)測(cè)染料分子的擴(kuò)散來(lái)實(shí)現(xiàn)。例如，Sun等報(bào)道了一種具有定向溝道狀空隙的PEG基水凝膠中，染料分子即使在厘米尺度上也具有高度方向控制的擴(kuò)散，這是一種典型的力學(xué)各向異性水凝膠。如2.1所述，該凝膠含有直徑為1 050 mm的定向通道。當(dāng)染料(羅丹明B)的水溶液滴在水凝膠表面時(shí)，染料優(yōu)先通過(guò)通道擴(kuò)散。Zhang和Barrow也做了類(lèi)似的實(shí)驗(yàn)，他們從甲基丙烯酸低聚糖(乙二醇)中合成了一種具有定向溝道狀空隙的水凝膠。

雖然染料擴(kuò)散實(shí)驗(yàn)直觀(guān)地反映了擴(kuò)散的各向異性，但不是定量的。最近，Liu等報(bào)道了利用擴(kuò)散隔膜細(xì)胞定量分析各向異性水凝膠的滲透過(guò)程。橫膈膜由一個(gè)供體腔室和一個(gè)受體腔室組成。供體腔室中充滿(mǎn)了一種模型藥物的緩沖溶液(如，肌酐、維生素B12、細(xì)胞色素c或牛血清白蛋白)。用含有磁性氧化鐵納米顆粒的各向異性PVA基水凝膠將這些分隔開(kāi)，根據(jù)紫外吸收監(jiān)測(cè)的受體室模型藥物濃度隨時(shí)間的變化，確定各模型藥物的滲透系數(shù)。對(duì)于所有藥物，平行于定向氧化鐵納米顆粒的滲透率大約是垂直方向滲透率的兩倍。考慮到氧化鐵納米顆粒在外加磁場(chǎng)下的潛在重定向能力，這種水凝膠有望成為具有可切換滲透和擴(kuò)散特性的生物膜和藥物載體。

2.4 各向異性的細(xì)胞培養(yǎng)

水凝膠為再生藥物、體外組織模型和藥物輸送載體提供了有前途的支架，因?yàn)樗鼈兒芎玫啬M了天然細(xì)胞外基質(zhì)的富水、柔軟和生物相容性環(huán)境。各向異性水凝膠是一種較先進(jìn)的細(xì)胞培養(yǎng)基，因?yàn)槠涠ㄏ虻奈⒂^(guān)結(jié)構(gòu)可以影響細(xì)胞的行為，如黏附、增殖和分化。近年來(lái)，越來(lái)越多專(zhuān)為細(xì)胞培養(yǎng)應(yīng)用而設(shè)計(jì)的各向異性水凝膠得到報(bào)道。

Stupp等報(bào)道了由剪切取向的多肽雙親和絲組成的各向異性水凝膠中的細(xì)胞排列。將兩親性肽的水溶液從移液管中擠壓到含鹽介質(zhì)中，形成面狀水凝膠線(xiàn)，其中，兩親性肽的納米纖維剪切方向可達(dá)厘米級(jí)。水凝膠可以容納間充質(zhì)干細(xì)胞，以添加到肽雙親的前體溶液。在合成的水凝膠中，胞體和絲狀偽足被重新定向平行于肽雙親納米纖維。同樣，心肌細(xì)胞也被包裹在水凝膠串中。10 d后，細(xì)胞的動(dòng)作電位可檢測(cè)到，并在整個(gè)宏觀(guān)結(jié)構(gòu)中傳播，提示心臟連續(xù)合胞體的形成。該研究組還成功地將平滑肌細(xì)胞包裹在類(lèi)似的各向異性水凝膠中，制備成適合動(dòng)脈細(xì)胞支架的管狀。同樣，Nazhat等使用剪切型膠原水凝膠定向培養(yǎng)成纖維細(xì)胞間充質(zhì)干細(xì)胞。定向離子擴(kuò)散合成的各向異性水凝膠也是獨(dú)特的細(xì)胞培養(yǎng)基。Weidner等使用各向異性的藻酸鹽Ca2+水凝膠定向控制軸突的再生。值得注意的是，各向同性水凝膠支架不能縱向再生軸突。

各向異性導(dǎo)電水凝膠可作為生物相容電極和導(dǎo)體應(yīng)用。特別是近年來(lái)，其作為智能細(xì)胞培養(yǎng)基的應(yīng)用備受關(guān)注，在智能細(xì)胞培養(yǎng)基中，細(xì)胞可以受到電刺激。Matsue、Khademhosseini等報(bào)道了一種甲基丙烯酸凝膠基水凝膠，它含有碳納米管(CNTs)，通過(guò)施加電場(chǎng)，碳納米管呈各向異性取向。水凝膠的導(dǎo)電性各向異性約為40。作為骨骼肌細(xì)胞生長(zhǎng)的培養(yǎng)基，垂直方向的CNTs水凝膠比隨機(jī)方向和水平方向的CNTs水凝膠提供了更多的功能性肌纖維。另外，在定向的碳納米管上施加電刺激可以促進(jìn)細(xì)胞生長(zhǎng)。這樣的電刺激也增強(qiáng)了小鼠胚胎體的心臟分化。

作為一種更加面向工程的方法，Tang、Dokmeci等還報(bào)道了一種含有定向碳納米管微電極的水凝膠。在催化過(guò)程中，將硅片上的鐵顆粒微圖案生長(zhǎng)成碳納米管，然后將其整合成雙形態(tài)水凝膠。然后,在水凝膠上培養(yǎng)心肌細(xì)胞，得到細(xì)胞水凝膠雜交，細(xì)胞組織均勻，細(xì)胞間偶聯(lián)增強(qiáng)，成熟程度可達(dá)厘米級(jí)。因此，該混合材料對(duì)集成的碳納米管微電極陣列提供的外部電場(chǎng)進(jìn)行控制驅(qū)動(dòng)。值得注意的是，激發(fā)閾值高度依賴(lài)于外加電場(chǎng)的方向；平行電場(chǎng)對(duì)CNTs(0.8 V∶0.03 V)的閾值比垂直電場(chǎng)(3.7 V∶0.3 V)低5倍，因此各向異性導(dǎo)電水凝膠為組織再生和細(xì)胞治療提供了非常有希望的平臺(tái)。

3 結(jié)語(yǔ)

越來(lái)越多的報(bào)道表明，各向異性水凝膠無(wú)疑已成為最重要的一類(lèi)軟材料。它們的合成和表征現(xiàn)已建立，并實(shí)現(xiàn)了與生物系統(tǒng)類(lèi)似的各向異性性能，如，機(jī)械韌性、驅(qū)動(dòng)、質(zhì)量輸運(yùn)和細(xì)胞培養(yǎng)的使用。然而，對(duì)于它們潛在應(yīng)用的研究，我們才剛剛起步。應(yīng)該在以下方面進(jìn)行進(jìn)一步研究。

1) 通過(guò)自底向上和自頂向下合成方法的組合，制備分層集成的各向異性水凝膠；

2) 梯度結(jié)構(gòu)各向異性水凝膠的合成；

3) 水凝膠與包括有機(jī)凝膠在內(nèi)的其他材料的各向異性雜交；

4) 具有化學(xué)燃料的自主水凝膠制動(dòng)器；

5) 在各向異性水凝膠里的三維細(xì)胞培養(yǎng)。