龐相琛

摘要：水凝膠是一種以大量水為分散介質(zhì)且質(zhì)地柔軟的高分子材料，廣泛應(yīng)用于日常生活。而自愈合是材料能夠自動(dòng)地修復(fù)破損、恢復(fù)材料原有性能的一種性質(zhì)。由于水凝膠材料大多力學(xué)強(qiáng)度較低，使用過(guò)程易發(fā)生機(jī)械損傷且損傷后性能大大降低，無(wú)法繼續(xù)滿足使用要求。因此仿照生物體損傷自愈合的原理， 制備出具有自愈合性質(zhì)的水凝膠材料具有十分重要的意義，可以延長(zhǎng)水凝膠的使用壽命、降低成本、擴(kuò)大其應(yīng)用范圍。隨著技術(shù)的不斷發(fā)展，自愈合水凝膠材料在醫(yī)用器械、仿生電子皮膚、可注射水凝膠等方面?zhèn)涫荜P(guān)注，因此本文將對(duì)自愈合水凝膠材料的實(shí)現(xiàn)機(jī)理以及應(yīng)用研究進(jìn)行綜合闡述。

Abstract： Hydrogel is a kind of polymer material with a large amount of water as a dispersion medium and a soft texture. It is widely used in daily life. And self-healing is a property that the material can automatically repair the damage and restore the original properties of the material. Due to the low mechanical strength of most hydrogel materials， mechanical damage is prone to occur during use and the performance is greatly reduced after the damage， which cannot continue to meet the requirements for use. Therefore， following the principle of self-healing of biological damage， it is of great significance to prepare hydrogel materials with self-healing properties， which can prolong the service life of hydrogels， reduce costs， and expand their application scope. With the continuous development of technology， self-healing hydrogel materials have received much attention in medical devices， biomimetic electronic skins， injectable hydrogels， etc.. Therefore， this article comprehensively elaborates the realization mechanism and application study of self-healing hydrogel materials.

關(guān)鍵詞：自修復(fù)材料;水凝膠;應(yīng)用研究進(jìn)展

Key words： self-healing material;hydrogel;application research progress

中圖分類號(hào)：R318.08 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號(hào)：1006-4311（2020）01-0215-04

0 ?引言

水凝膠是能保持一定形狀的三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)高分子溶脹體，可以吸收、保持大量水或水溶液，在水中發(fā)生溶脹而又不會(huì)溶解于水，質(zhì)地柔軟（如圖1所示）[1]。構(gòu)成水凝膠的聚合物主鏈或側(cè)鏈上有親水基團(tuán)（-OH、-COOH等），在溶脹后，相當(dāng)一部分水與這些親水基團(tuán)形成氫鍵，故水凝膠可以保持大量水分。水凝膠材料具有很多優(yōu)異特性，其在日常生活、生物醫(yī)用、藥物等方面應(yīng)用十分普遍。如具有生物相容性的水凝膠可以用于醫(yī)療器材、藥物載體、止血凝膠、高強(qiáng)度仿生皮膚。但是水凝膠作為一種軟物質(zhì)材料，不足之處主要在于機(jī)械強(qiáng)度較低，容易在工作過(guò)程中受到機(jī)械損傷而縮短使用壽命，所以開(kāi)發(fā)出高強(qiáng)度的水凝膠一直是科學(xué)家們的研究方向。除此之外，還可以通過(guò)賦予水凝膠自愈合的特性，使得水凝膠在破損后可以自動(dòng)愈合，則能大大延長(zhǎng)水凝膠材料的使用壽命[2]。

自愈合材料是一種“有生命”的材料，具有自動(dòng)愈合損傷的能力，能夠利用固有的資源去恢復(fù)原有的功能，自我愈合的過(guò)程分為自發(fā)的或需要外界刺激（如加熱、光照等）。自愈合材料相對(duì)傳統(tǒng)材料優(yōu)越性在于損傷后能像人類皮膚一樣自行愈合，恢復(fù)原有結(jié)構(gòu)和功能，大大延長(zhǎng)了材料的使用壽命，提高使用安全性并降低維護(hù)成本，可謂安全又環(huán)保，為實(shí)現(xiàn)材料更加安全化與持久性提供了新途徑。自愈性水凝膠因其各自良好的親水性、滲透性、刺激響應(yīng)性和優(yōu)越的生物相容性以及生物組織相似性在生物醫(yī)用（如止血載藥等）、制備柔性電子器件、形狀記憶材料等領(lǐng)域有著開(kāi)闊的發(fā)展前景[3]。

1 ?水凝膠自愈合機(jī)理

水凝膠是由親水性高分子交聯(lián)而成的三維網(wǎng)絡(luò)體系，不同的交聯(lián)方式會(huì)賦予水凝膠不同的性質(zhì)，比如氫鍵交聯(lián)、光交聯(lián)、pH響應(yīng)交聯(lián)等。由具有動(dòng)態(tài)特性的交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建形成這種材料具有本征性的自愈性，因此設(shè)計(jì)動(dòng)態(tài)可逆的交聯(lián)作用是制備自愈合水凝膠的關(guān)鍵?？赡娼宦?lián)作用一般分為可逆共價(jià)鍵作用（如亞胺鍵）和可逆非共價(jià)鍵作用（如氫鍵）[4]。一方面動(dòng)態(tài)化學(xué)鍵對(duì)多種環(huán)境刺激具有響應(yīng)性，另一方面可對(duì)外界破壞造成的損傷進(jìn)行自我修復(fù)，能自我調(diào)節(jié)以適應(yīng)環(huán)境變化，為將自愈性水凝膠開(kāi)發(fā)為自適性多功能智能新材料的發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。

1.1 可逆共價(jià)鍵作用

1.1.1 亞胺鍵和酰腙鍵

亞胺鍵，也叫希夫堿，是由伯胺和活性羰基化合物（醛基、酮）發(fā)生縮合反應(yīng)而生成的，具有動(dòng)態(tài)可逆的特性[5]（如圖2所示）。因此以亞胺鍵為交聯(lián)結(jié)構(gòu)的水凝膠具有一定的自愈合性。目前廣泛應(yīng)用于生物醫(yī)用材料中的高分子如殼聚糖、聚賴氨酸、聚乙烯亞胺、葡聚糖、蛋白質(zhì)及多肽等物質(zhì)含有豐富的氨基，利用這些高分子來(lái)設(shè)計(jì)亞胺鍵交聯(lián)制備的自愈合水凝膠在生物醫(yī)學(xué)方面有著巨大的應(yīng)用前景。

酰腙鍵也是一種動(dòng)態(tài)可逆的化學(xué)鍵，由酰肼和醛基反應(yīng)生成。酰腙鍵在動(dòng)態(tài)共價(jià)鍵中屬于結(jié)合較穩(wěn)定的一類，具有明顯的pH依賴性。陳詠梅研制了基于酰腙鍵和亞胺鍵兩種動(dòng)態(tài)共價(jià)化學(xué)鍵的多糖基自愈合水凝膠，通過(guò)己二酰肼交聯(lián)氧化海藻酸鈉生成可逆酰腙鍵，同時(shí)通過(guò)氧化海藻酸鈉交聯(lián)水溶性殼聚糖得到可逆亞胺鍵。該水凝膠在生理?xiàng)l件下具有較高的自愈合效率，該水凝膠還有可注射性和降解性能[6]。

1.1.2 Diels-Alder反應(yīng)

Diels-Alder反應(yīng)，又名雙烯加成，由共軛雙烯與烯烴或炔烴反應(yīng)生成六元環(huán)的反應(yīng)，具有熱可逆性，可用作自愈合水凝膠的化學(xué)交聯(lián)反應(yīng)。之前的研究中，科研人員開(kāi)發(fā)了具有彈性、可注射性的多功能水凝膠和基于DA點(diǎn)擊化學(xué)的組織粘合能力用于軟骨組織修復(fù)。此外，通過(guò)呋喃基和馬來(lái)酰亞胺之間的DA點(diǎn)擊化學(xué)形成的環(huán)己烯衍生物（氧-降冰片烯基團(tuán)）可以通過(guò)硫醇-烯反應(yīng)進(jìn)行有效地與硫醇基團(tuán)反應(yīng)，可以用于進(jìn)一步官能化水凝膠。

1.2 可逆非共價(jià)鍵作用

1.2.1 氫鍵作用

氫鍵是一種比共價(jià)鍵和離子鍵作用弱的非共價(jià)鍵力，它普遍存在于生物體和化學(xué)分子中。氫鍵是一種可逆作用，在高溫下被破壞，低溫下重新形成。因此可以利用氫鍵這一特性來(lái)制備氫鍵交聯(lián)的自愈合水凝膠。北京師范大學(xué)汪輝亮課題組研究人員利用浸泡和冷拉的方法來(lái)增強(qiáng)聚合物之間的氫鍵相互作用，從而制備了一種力學(xué)強(qiáng)度超過(guò)塑料的超強(qiáng)韌聚乙烯醇/聚丙烯酸水凝膠。通過(guò)冷凍-解凍法制備了物理交聯(lián)的聚乙烯醇（PVA）水凝膠，然后將PVA凝膠浸泡在聚丙烯酸水溶液中，得到聚乙烯醇/聚丙烯酸（PVA/PAA）水凝膠。隨著PAA逐漸遷移進(jìn)PVA凝膠中，PAA鏈上的羧基與PVA鏈上的羥基會(huì)形成大量的氫鍵，增大了水凝膠的交聯(lián)密度。此外，通過(guò)將PVA/PAA水凝膠進(jìn)行冷拉處理，使得水凝膠內(nèi)部的高分子鏈進(jìn)一步靠近并高度取向，誘導(dǎo)PVA與PAA分子鏈間更多的氫鍵形成，使其力學(xué)性能得到極大提升，從而制備了一種力學(xué)強(qiáng)度超過(guò)塑料的超強(qiáng)韌水凝膠（圖3）。實(shí)驗(yàn)表明，分子鏈之間的氫鍵交聯(lián)作用提升了材料的力學(xué)性能并賦予了它優(yōu)越的自愈合性能。

1.2.2 金屬配位鍵作用

金屬配位鍵是由過(guò)渡金屬離子（如Fe3+、Zn2+、Cu2+）提供空軌道、配體（如-OH、-COOH等基團(tuán)）提供孤對(duì)電子形成的一類化學(xué)鍵。金屬配位鍵具有動(dòng)態(tài)可逆的性質(zhì)，是制備剪切變稀和自愈合水凝膠的一種有效分子設(shè)計(jì)策略。通過(guò)在高分子骨架上共價(jià)結(jié)合配體分子，并向其中引入金屬離子，即可形成基于配體-金屬配位鍵的交聯(lián)點(diǎn)，從而制備出具有自愈合性能的水凝膠。通過(guò)選擇不同的配體和金屬離子，可制備出具有一系列不同力學(xué)強(qiáng)度的水凝膠，用以滿足不同生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用中的力學(xué)需求。基于以上特點(diǎn)，wei等開(kāi)發(fā)出了一種簡(jiǎn)單的自愈合水凝膠制備方法：在丙烯酸水溶液中加入Fe3+，通過(guò)聚合反應(yīng)形成聚丙烯酸大分子骨架的同時(shí)，F(xiàn)e3+與-COOH發(fā)生配位作用形成交聯(lián)點(diǎn)，從而制備了金屬配位交聯(lián)的自愈合水凝膠（圖4所示）。

湖南大學(xué)施李楊等利用雙膦酸根和金屬之間形成的動(dòng)態(tài)配位鍵開(kāi)發(fā)了一類具有自愈合特性的水凝膠，這種具有動(dòng)態(tài)可逆網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的雙膦酸-金屬配位水凝膠可實(shí)現(xiàn)“凝膠-溶膠-凝膠”的轉(zhuǎn)化，注射時(shí)間點(diǎn)無(wú)窗口期限制[7]。將開(kāi)發(fā)的雙膦酸和金屬離子交聯(lián)的水凝膠用作3D打印墨水、組織修復(fù)支架以及藥物緩釋載體[8]，并取得了良好的體內(nèi)外生物學(xué)效果。由此可見(jiàn)動(dòng)態(tài)配位鍵是開(kāi)發(fā)動(dòng)態(tài)可逆性能的水凝膠生物材料的一種重要的化學(xué)策略，有著開(kāi)闊的發(fā)展前景。

2 ?自修復(fù)水凝膠的應(yīng)用研究

2.1 生物醫(yī)用水凝膠

水凝膠具有良好的生物相容性，其含水量很高，與人體組織具有相似的粘彈性、能夠保持軟骨細(xì)胞表型、可原位成型等多方面優(yōu)勢(shì)，已成為一種較為理想的軟骨組織工程支架材料，在生物醫(yī)用材料有廣闊的應(yīng)用前景。

華南理工大學(xué)的曹曉東教授通過(guò)Diels-Alder點(diǎn)擊化學(xué)法和動(dòng)態(tài)化學(xué)交聯(lián)酰腙鍵，制備了可注射成型的愈合型水凝膠。該水凝膠具有自身愈合性，還可與天然軟骨組織形成良好的界面結(jié)合（如圖5所示），有望解決植入體在術(shù)后松動(dòng)或脫落等不良問(wèn)題。

近日，汪建新教授課題組借鑒了酶催化下鹽酸酪氨之間的動(dòng)態(tài)偶聯(lián)反應(yīng)，探討了在溫和條件下利用催化劑誘導(dǎo)鹽酸酪氨衍生物之間發(fā)生偶聯(lián)反應(yīng)的可行性，并利用該可逆化學(xué)鍵來(lái)構(gòu)筑兼具良好自愈性能、力學(xué)性能以及生物相容性的“自主性”自愈合水凝膠[9]。所得水凝膠自愈合24小時(shí)后，接觸樣品已經(jīng)完全自愈合，切口消失，最后將水凝膠與細(xì)胞進(jìn)行三維共培養(yǎng)，表征該水凝膠具有良好的生物相容性及在組織工程支架領(lǐng)域的潛在應(yīng)用。該水凝膠優(yōu)良的機(jī)械性能、超高的自主自愈合性能以及生物相容性為其在組織工程、創(chuàng)傷敷料等領(lǐng)域提供了良好的應(yīng)用前景，同時(shí)通過(guò)引入這種溫和條件下的偶聯(lián)反應(yīng)制備自主自愈材料為設(shè)計(jì)制備自愈材料提供了新的思路。（圖6）

2.2 仿生電子皮膚

隨著人工智能和軟體機(jī)器人等領(lǐng)域的發(fā)展，模仿人體皮膚感知能力和力學(xué)性能的多功能傳感器的研發(fā)和制備受到越來(lái)越多研究者的關(guān)注。在化學(xué)領(lǐng)域里，特定結(jié)構(gòu)的高分子水凝膠就可以模擬人的觸覺(jué)，因?yàn)槠渲械妮d流子就是電子，和人真實(shí)皮膚的工作原理非常接近。

武培怡教授課題組在對(duì)高分子的分子內(nèi)以及分子間相互作用機(jī)理的研究基礎(chǔ)上，提出了一系列調(diào)控凝膠力學(xué)、電學(xué)和光學(xué)性質(zhì)的設(shè)計(jì)：

①利用納米級(jí)無(wú)定形礦物粒子和天然多糖的離子作用，調(diào)節(jié)物理交聯(lián)聚丙烯酸的粘彈性，所構(gòu)筑的仿生皮膚可以快速自修復(fù)，并且具有更高的應(yīng)力響應(yīng)靈敏度;

②利用刺激響應(yīng)水凝膠的體積相轉(zhuǎn)變行為，將外界刺激轉(zhuǎn)變?yōu)橛行щ娦盘?hào)，拓寬了水凝膠類仿生皮膚的感知功能;

③以及利用三種分子間非共價(jià)相互作用，實(shí)現(xiàn)多重動(dòng)態(tài)交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)，制備的透明超分子水凝膠集合了一系列類似皮膚甚至超越皮膚的力學(xué)性質(zhì)，具有壓縮回彈性，可大幅拉伸，可自修復(fù)，可在室溫下的任意塑形，并通過(guò)電阻和電容的兩種電信號(hào)，同時(shí)實(shí)現(xiàn)對(duì)外界應(yīng)力應(yīng)變和溫度刺激的感知;

④進(jìn)一步引入α-甲基，則可以實(shí)現(xiàn)對(duì)具有相同共聚單體結(jié)構(gòu)的水凝膠相變行為從UCST到LCST的廣泛調(diào)節(jié)，基于此構(gòu)筑的仿生水凝膠皮膚不僅具有多重電信號(hào)感知效果，還可以實(shí)現(xiàn)可調(diào)節(jié)的溫度-光學(xué)響應(yīng)效果。極大改善和拓寬了基于凝膠類的仿生皮膚的應(yīng)用前景。

2.3 電子器件/傳感器

可拉伸導(dǎo)電材料在未來(lái)各種領(lǐng)域的應(yīng)用是不可或缺的，例如可拉伸板、柔性儲(chǔ)能裝置、電極、傳感器和可穿戴裝置。為了實(shí)現(xiàn)這些目標(biāo)，關(guān)鍵問(wèn)題是同時(shí)引入機(jī)械強(qiáng)度和電導(dǎo)率。導(dǎo)電水凝膠由于其優(yōu)異的柔韌性，良好的電氣特性和可調(diào)諧的機(jī)械性能而具有一體化潛力。迄今為止，各領(lǐng)域的研究人員中已經(jīng)廣泛研究了導(dǎo)電水凝膠，例如，應(yīng)用于柔性超級(jí)電容器和傳感器中的導(dǎo)電聚合物水凝膠。

劉明杰教授課題組報(bào)道了由PVA網(wǎng)絡(luò)、導(dǎo)電聚合物PEDOT：PSS和H2O/EG溶劑組成的抗凍導(dǎo)電油水凝膠（圖7所示）[9]。EG形成氫鍵和致密結(jié)晶疇使材料具有高的機(jī)械強(qiáng)度。此外，氫鍵和結(jié)晶區(qū)的物理交聯(lián)導(dǎo)致防凍導(dǎo)電油水凝膠為熱塑性和自愈性，并具有可重塑性和可重復(fù)使用性。結(jié)合上述所有性質(zhì)，導(dǎo)電油水凝膠可以在諸如柔性電極、傳感器、能量存儲(chǔ)裝置和可穿戴裝置等各種領(lǐng)域中，在零下溫度下應(yīng)用。

3 ?總結(jié)與展望

水凝膠在我們生活中起著不可或缺的作用，憑借各優(yōu)異性能，為我們的生產(chǎn)生活帶來(lái)極大的便利。為完善其功能，隨著科研人員對(duì)水凝膠研究逐漸深入，自愈合水凝膠材料成為一大熱點(diǎn)。自愈合水凝膠可廣泛使用于生物醫(yī)用、制備柔性皮膚材料等特殊專業(yè)領(lǐng)域。由于其具有良好的親水性、對(duì)多種環(huán)境刺激響應(yīng)性、高強(qiáng)度、高拉伸性、高韌性優(yōu)異的自修復(fù)與循環(huán)利用性能，水凝膠在生物組織工程和電子皮膚等方面擁有獨(dú)到的優(yōu)勢(shì)，為各行業(yè)提高工作效率、降低了風(fēng)險(xiǎn)，更逐漸走進(jìn)人們的日常生活。但這種材料的制備技術(shù)仍不完善，高含水量使其機(jī)械性能差，在提高機(jī)械性能上仍有很大的發(fā)展空間，加上研發(fā)成本和專業(yè)技術(shù)要求較高，所以還沒(méi)有廣泛投入市場(chǎng)。因此自愈合水凝膠材料未來(lái)研究方向主要在降低生產(chǎn)成本，尋找最優(yōu)方案和配置方法;集中各種機(jī)理的水凝膠各自的優(yōu)勢(shì)于同一種材料，開(kāi)拓其用途;研發(fā)水凝膠弊端解決方法，提高水凝膠機(jī)械性能;繼續(xù)研發(fā)不需修復(fù)劑的自修復(fù)材料，促成友好型環(huán)境的發(fā)展。

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