王 碩，王永貴，肖澤芳，謝延軍

(東北林業(yè)大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院；生物質(zhì)材料科學(xué)與技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，黑龍江 哈爾濱 150040)

凝膠是一種具有三維網(wǎng)絡(luò)空間結(jié)構(gòu)且被分散介質(zhì)填充的凝聚態(tài)物質(zhì)，通常由膠體粒子或凝膠因子交聯(lián)而成。凝膠在流變性上表現(xiàn)出類(lèi)固體的流變學(xué)性質(zhì)，它既具有高的黏度，又具有高的彈性，并且其彈性遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于黏性。凝膠的三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)可以為溶劑提供一個(gè)存儲(chǔ)空間。凝膠可以吸收其自身質(zhì)量幾十倍到幾千倍質(zhì)量的液體，從而使其在熱力學(xué)上表現(xiàn)出類(lèi)液體行為[1]。水凝膠的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)表面含有大量親水基團(tuán)，使其能夠充分吸水溶脹而不溶解。水凝膠的開(kāi)發(fā)利用最早源于1960年，捷克化學(xué)家?jiàn)W托·威特勒以聚甲基丙烯酸羥乙酯為原料制備了首例合成水凝膠，并應(yīng)用于隱形眼鏡[2]。隨后幾十年中，水凝膠的研究方向大多聚焦在親水性高聚物上。近年來(lái)，隨著可持續(xù)發(fā)展觀念深入人心，可再生可降解的生物質(zhì)資源受到越來(lái)越多的關(guān)注，成為水凝膠最具開(kāi)發(fā)潛力的原料之一。本綜述旨在對(duì)生物基水凝膠的研究進(jìn)展進(jìn)行系統(tǒng)介紹，分別闡述各類(lèi)生物基水凝膠的合成方法、性能和結(jié)構(gòu)，并提出生物基水凝膠在未來(lái)發(fā)展中的挑戰(zhàn)和應(yīng)用前景，以期為水凝膠的設(shè)計(jì)合成和進(jìn)一步開(kāi)發(fā)利用提供參考。

1 水凝膠的分類(lèi)及特點(diǎn)

水凝膠根據(jù)其交聯(lián)方式的不同分為物理水凝膠(或非永久性水凝膠)和化學(xué)水凝膠(永久性水凝膠)。物理水凝膠是凝膠基質(zhì)分子鏈通過(guò)疏水相互作用、靜電相互作用、氫鍵、主-客體相互作用等作用力，以微晶、膠束、螺旋、纏繞等形式交聯(lián)成水凝膠[3]。由于整個(gè)水凝膠網(wǎng)絡(luò)是由物理作用構(gòu)成的，物理水凝膠的形成具有可逆性，可通過(guò)改變溫度、離子濃度、酸堿環(huán)境等條件來(lái)調(diào)控凝膠結(jié)構(gòu)的成型和解離[4]。生物基高分子材料(如：聚乙二醇接枝殼聚糖)大多具有兩親性，可通過(guò)疏水相互作用實(shí)現(xiàn)溶膠-凝膠相互轉(zhuǎn)化，用于制備溫敏可逆水凝膠[5]。含有兩種不同電荷的凝膠基質(zhì)可通過(guò)分子間的電荷相互作用形成物理水凝膠。該凝膠基質(zhì)一般包括以下幾種類(lèi)型：1)體系含有一種帶電荷高分子和含有相反電荷的小分子作為交聯(lián)劑[6]；2)體系中含有兩種帶相反電荷的聚電解質(zhì)或其它高分子[7]；3)體系中含有表面帶電荷微/納粒子和帶相反電荷小分子或高分子做交聯(lián)劑[8]；4)體系中只含有一種兩性離子共聚物[9]。此外，分子自組裝、分子折疊、主客體相互作用、絡(luò)合、機(jī)械聯(lián)鎖等超分子結(jié)構(gòu)構(gòu)筑方式也可以用于水凝膠的制備[10]。聚環(huán)氧乙烷聚羥基丁酸酯嵌段共聚物或聚乳酸殼聚糖嵌段共聚物可通過(guò)與環(huán)糊精復(fù)合形成具有較強(qiáng)機(jī)械性能和自組裝結(jié)構(gòu)的水凝膠[11-12]。由于無(wú)需進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)，物理交聯(lián)水凝膠在原位成膠方面有較廣闊的應(yīng)用前景。但物理水凝膠也存在成膠時(shí)間長(zhǎng)、空隙大小不均一，凝膠不穩(wěn)定、強(qiáng)度低等問(wèn)題。目前，一般通過(guò)化學(xué)交聯(lián)的方式來(lái)提高水凝膠的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性和均一性。

化學(xué)水凝膠主要通過(guò)單體聚合、微/納粒子或高分子交聯(lián)等方式制備水凝膠，交聯(lián)反應(yīng)可由原料自身的活性官能團(tuán)發(fā)生，或引入帶有活性端基的交聯(lián)劑。自由基聚合、點(diǎn)擊化學(xué)、席夫堿反應(yīng)等是水凝膠制備研究中常用的化學(xué)交聯(lián)方法。與物理交聯(lián)不同，化學(xué)交聯(lián)一般是不可逆的。但是在動(dòng)態(tài)共價(jià)化學(xué)鍵存在的條件下可以實(shí)現(xiàn)化學(xué)交聯(lián)水凝膠的可逆轉(zhuǎn)化。動(dòng)態(tài)共價(jià)化學(xué)鍵，包括二硫鍵、酰腙鍵、亞胺鍵、Diels-Alder反應(yīng)等，在催化劑、光、溫度、氧化/還原劑等條件下可實(shí)現(xiàn)可逆的成鍵和斷裂，廣泛應(yīng)用于自修復(fù)水凝膠等刺激響應(yīng)性智能材料的制備[13]。

生物基水凝膠是以天然高分子材料，包括纖維素、淀粉、甲殼素、海藻酸鈉、透明質(zhì)酸為主體通過(guò)物理或化學(xué)交聯(lián)制成的水凝膠。生物基水凝膠的成分結(jié)構(gòu)及理化性質(zhì)類(lèi)似于細(xì)胞外基質(zhì)，具有良好的生物相容性、可降解性、刺激響應(yīng)性等，結(jié)合其固有的多孔結(jié)構(gòu)和吸水溶脹等特性，使其在藥物傳遞、組織工程、生物傳感、環(huán)境衛(wèi)生等領(lǐng)域得到了廣泛的研究和應(yīng)用。

2 生物基水凝膠的合成及改性

2.1 纖維素基水凝膠

2.1.1纖維素基水凝膠的制備 纖維素基水凝膠包含以纖維素分子、納米纖維素或纖維素衍生物為主要原料，通過(guò)溶解和物理交聯(lián)制備的純纖維素水凝膠，或與其他物質(zhì)共混交聯(lián)制備的復(fù)合水凝膠[3]。纖維素是由葡萄糖單元通過(guò)β-1,4糖苷鍵鏈接而成的天然高分子，有難以溶解的結(jié)晶區(qū)，使纖維素的溶解成為制備純纖維素水凝膠的限制因素。傳統(tǒng)的纖維素溶解體系主要依靠極性復(fù)合溶劑，包括甲基嗎啉氧化物[14]、二甲基乙酰胺/氯化鋰[15]、四丁基氟化銨/二甲基亞砜[16]等。近年來(lái)，一些新型溶劑體系，如：離子液體[17-18]、堿/尿素(或硫脲)低溫溶解體系[19]等，受到了越來(lái)越多的關(guān)注。在低濃度條件下，纖維素溶液中分子鏈無(wú)序分布，隨著濃度升高，分子間氫鍵作用及相互纏繞增加，體系由溶液狀態(tài)逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)槟z狀態(tài)，最終形成結(jié)構(gòu)相對(duì)穩(wěn)定的纖維素水凝膠[20]。

通過(guò)調(diào)節(jié)溫度、溶劑體系等方式可以進(jìn)一步提高纖維素水凝膠的凝膠網(wǎng)絡(luò)交聯(lián)強(qiáng)度。凍融法是纖維素水凝膠固化增強(qiáng)的重要方式，凍-融循環(huán)處理過(guò)程中纖維素分子間氫鍵作用顯著增強(qiáng)，從而提高水凝膠的強(qiáng)度[3]。Lu等[21]通過(guò)乙二胺/硫氰酸鉀溶解纖維素及后續(xù)循環(huán)凍-融處理成功制備高強(qiáng)度纖維素超分子水凝膠。此外，通過(guò)改變?nèi)軇w系(如：浸漬在水、甲醇、乙醇、丙酮等溶劑中)，破壞纖維素溶解平衡，會(huì)導(dǎo)致纖維素分子鏈局部絮聚凝結(jié)，提高了纖維素水凝膠穩(wěn)定性和強(qiáng)度。同時(shí)，由于溶解體系被破壞，可逆水凝膠將轉(zhuǎn)化為不可逆的纖維素水凝膠[3]。

納米纖維素可以通過(guò)物理交聯(lián)或化學(xué)交聯(lián)形成具有大比面積、獨(dú)特力學(xué)性能和納米效應(yīng)的納米纖維素基水凝膠。細(xì)菌纖維素(BNC)具有優(yōu)良生物相容性、高純度、高結(jié)晶度、超親水性能和超精細(xì)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)等特點(diǎn)，其水凝膠是一種理想的生物醫(yī)藥用材料。Guan等[22]通過(guò)對(duì)BNC水凝膠進(jìn)行濕捻處理，使其形成類(lèi)似于彈簧模型的螺旋結(jié)構(gòu)，氫鍵的斷裂重組賦予其獨(dú)特的能量耗散機(jī)制，使得水凝膠在應(yīng)力作用下表現(xiàn)出優(yōu)異的強(qiáng)度和韌性，該水凝膠彈性模量接近于人體組織，作為傷口縫合線(xiàn)不會(huì)對(duì)傷口造成二次傷害。BNC還具有優(yōu)異的形態(tài)可塑性，在其生物合成過(guò)程中可以根據(jù)應(yīng)用需求調(diào)整其形貌和尺寸。例如：通過(guò)調(diào)整生物合成環(huán)境可以合成管狀BNC水凝膠，可作為微血管用于生物醫(yī)藥領(lǐng)域。CNC一般通過(guò)硫酸水解或2,2,6,6-四甲基哌啶-氮氧化物(TEMPO)氧化等制得，其表面含有硫酸基團(tuán)或羧基等帶電荷基團(tuán)，可以通過(guò)靜電排斥作用形成穩(wěn)定的分散體系。CNC可以通過(guò)溶劑置換、超聲波處理、滲析和調(diào)節(jié)酸堿性等方式形成物理交聯(lián)水凝膠。

2.1.2纖維素基水凝膠的衍生化改性 纖維素分子鏈上的羥基具有較高的反應(yīng)活性，可作為改性位點(diǎn)進(jìn)行酯化、醚化、氧化、接枝共聚等衍生化改性，并通過(guò)改性為化學(xué)交聯(lián)制備水凝膠創(chuàng)造條件。當(dāng)纖維素上的羥基被部分或全部取代后，纖維素原有的氫鍵結(jié)構(gòu)被破壞，使其可以溶于水或常用有機(jī)溶劑中。經(jīng)醚化改性后，多種纖維素產(chǎn)物具有優(yōu)良的水溶性，可作為合成水凝膠的原料。由于部分羥基被甲基、丙基等烷基取代，纖維素醚分子鏈中形成疏水區(qū)域。當(dāng)溫度高于特定值時(shí)，由氫鍵相互作用形成的籠形結(jié)構(gòu)被破壞，使纖維素醚分子鏈?zhǔn)杷畢^(qū)域暴露，水分子被排出，分子間發(fā)生疏水相互作用形成微凝膠區(qū)，最終形成穩(wěn)定可逆的水凝膠。

相較于纖維素醚，纖維素酯在水凝膠制備中的應(yīng)用相對(duì)較少，只有醋酸纖維素等少數(shù)纖維素酯具有合成水凝膠的潛力。然而，纖維素化學(xué)交聯(lián)水凝膠通常經(jīng)過(guò)酯化反應(yīng)制備，多元羧酸及其酸酐、不飽和羧酸等均可作為交聯(lián)劑(表1)，用于酯化反應(yīng)合成纖維素基水凝膠。Kono等[25]以1,2,3,4-丁烷四羧酸二酐為交聯(lián)劑與純纖維素溶液反應(yīng)制備出超吸收性纖維素水凝膠，溶脹率達(dá)720 g/g。Seki等[29]分別以富馬酸和檸檬酸為交聯(lián)劑，合成了具有pH和離子響應(yīng)性的羧甲基纖維素/羥乙基纖維素水凝膠。由于檸檬酸較強(qiáng)的親水性，以檸檬酸為交聯(lián)劑制備的水凝膠比富馬酸為交聯(lián)劑制備的水凝膠具有更強(qiáng)的吸收溶脹性能。Demitri等[32]以生物質(zhì)基檸檬酸為交聯(lián)劑制備的CMC/羥乙基纖維素復(fù)合水凝膠具有良好的生物相容性，保證了其在食品、藥物、生物醫(yī)用領(lǐng)域的安全性。該水凝膠的溶脹率與檸檬酸用量、CMC和羥乙基纖維素比例、干燥過(guò)程的均有密切相關(guān)性，當(dāng)檸檬酸的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為3.75%時(shí)，該復(fù)合水凝膠的溶脹率高達(dá)900 g/g。

表1 纖維素基水凝膠酯化反應(yīng)常用交聯(lián)劑列表

除小分子改性交聯(lián)外，以纖維素或纖維素衍生物表面活性基團(tuán)為接枝位點(diǎn)，在纖維素骨架上接枝聚合物也廣泛應(yīng)用于纖維素基水凝膠的研究中。接枝聚合有兩種方式，一種方式是將聚合物側(cè)鏈直接接枝到纖維素上，另一種方式是纖維素鏈上生成活性位點(diǎn)后進(jìn)行單體聚合，包括自由基聚合、開(kāi)環(huán)聚合(ROP)、原子轉(zhuǎn)移自由基聚合(ATRP)等[36]。Zhu等[37]以CMC為自由基反應(yīng)引發(fā)劑和一級(jí)交聯(lián)劑，以N,N′-亞甲基雙丙烯酰胺(MBA)為二級(jí)交聯(lián)劑，加入丙烯酸進(jìn)行接枝共聚合成纖維素-聚丙烯酸雙交聯(lián)水凝膠，如圖1所示。制備的水凝膠的抗拉強(qiáng)度和彈性模量分別在724～352 kPa和115～307 kPa 范圍內(nèi)，具體強(qiáng)度可通過(guò)調(diào)節(jié)MBA的含量來(lái)控制，同時(shí)該雙交聯(lián)結(jié)構(gòu)，使得該凝膠具有高回彈性和低的殘余應(yīng)變，回彈率高于92%[37-38]。ATRP聚合具有反應(yīng)活性可控、反應(yīng)條件溫和、接枝效率高等優(yōu)點(diǎn)，是活性/可控自由基聚合反應(yīng)中應(yīng)用最廣泛的技術(shù)，也是纖維素及其它天然高分子材料接枝共聚改性的主要途徑，其中2-溴異丁酰溴(BrBiB)和2-氯乙酰氨為常用的引發(fā)劑[39]。Xu等[40]以羥丙基纖維素為原料，通過(guò)與BrBiB進(jìn)行酯化反應(yīng)制備出纖維素基大分子引發(fā)劑，在催化劑作用下與N-異丙基丙烯酰胺發(fā)生接枝聚合反應(yīng)，并通過(guò)二乙烯砜進(jìn)行后續(xù)交聯(lián)，合成了溫度響應(yīng)性水凝膠。

圖1 羧甲基纖維素/丙烯酸雙交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)高彈性水凝膠合成示意[37]

納米纖維素可以通過(guò)后續(xù)表面化學(xué)改性引入功能基團(tuán)合成功能性水凝膠，改性后的納米纖維素也可以作為交聯(lián)劑或增強(qiáng)劑用于合成復(fù)合水凝膠。Mckee等[41]通過(guò)瓜環(huán)結(jié)構(gòu)與萘基和甲基紫精基的主客體相互作用，以聚甲基丙烯酸二甲氨基乙酯接枝CNC為增強(qiáng)體，與含有甲基紫精基的聚乙烯醇衍生物復(fù)合制備了一種具有優(yōu)異自愈合性能的納米復(fù)合水凝膠。Huang等[42]通過(guò)對(duì)CNC氧化改性，在其表面引入醛基，通過(guò)和羧甲基殼聚糖中的氨基進(jìn)行反應(yīng)構(gòu)筑了具有抗菌、可注射、自愈合性能的水凝膠，如圖2所示。其中，CNC作為該復(fù)合水凝膠中的“硬段”，起到支撐三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和提高力學(xué)強(qiáng)度的作用。

圖2 DACNC通過(guò)亞胺鍵交聯(lián)制備水凝膠[42]

2.2 殼聚糖基水凝膠

甲殼素是一種儲(chǔ)量?jī)H次于纖維素的第二豐富的天然多糖，殼聚糖是甲殼素部分脫乙酰基(脫乙酰率>50%)的產(chǎn)物，是目前發(fā)現(xiàn)的唯一一種天然堿性多糖。殼聚糖具有良好的溶解性能、良好生物相容性、低細(xì)胞毒性和可降解性等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于功能性水凝膠的制備。

殼聚糖分子鏈上的氨基和和乙酰氨基可作為質(zhì)子受體，轉(zhuǎn)變?yōu)榫垭娊赓|(zhì)，進(jìn)而通過(guò)離子鍵和氫鍵等相互作用交聯(lián)合成物理水凝膠。在酸性環(huán)境中，氨基可與質(zhì)子結(jié)合形成帶正電的季銨鹽，通過(guò)添加檸檬酸鈉、三聚磷酸鹽、β-甘油磷酸鹽等多電荷陰離子，形成靜電交聯(lián)，提高水凝膠的強(qiáng)度。Xu等[43]通過(guò)三聚磷酸鹽和氯化鈉混合溶液、NaOH溶液交替處理的方法成功實(shí)現(xiàn)了殼聚糖水凝膠的有效調(diào)控，制備了單層、雙層和三層等系列殼聚糖水凝膠，提高了殼聚糖水凝膠的可塑性，有利于殼聚糖水凝膠在血管修復(fù)、軟骨替代材料等領(lǐng)域的應(yīng)用。Dalmoro等[44]通過(guò)在殼聚糖溶液中加入β-甘油磷酸鹽成功制備了可注射溫敏性殼聚糖水凝膠，β-甘油磷酸鹽因帶有負(fù)電荷，與殼聚糖分子中帶正電荷的質(zhì)子化氨基發(fā)生靜電相互作用，促進(jìn)了殼聚糖的凝膠化。通過(guò)一步核糖核酸模型藥物的負(fù)載和釋放行為研究表明該可注射型殼聚糖水凝膠具有優(yōu)異的藥物負(fù)載與緩釋性能。除小分子交聯(lián)劑外，海藻酸鈉[45]、聚乙烯醇[46]、聚乙二醇[47]等可降解高分子也可通過(guò)物理或化學(xué)交聯(lián)，與殼聚糖共混制備復(fù)合水凝膠。Rassu等[45]以殼聚糖和海藻酸鈉2種生物基高分子材料為原料，通過(guò)氨基和羧基靜電交聯(lián)制備了生物基復(fù)合水凝膠，該復(fù)合水凝膠可作為去鐵胺藥物載體，能有效抑制藥物的突釋現(xiàn)象，克服了去鐵胺在人體血液中半衰期短的問(wèn)題，成功延長(zhǎng)藥物在體內(nèi)的作用時(shí)間。

殼聚糖分子鏈上含有大量羥基和氨基，可作為活性位點(diǎn)進(jìn)行接枝改性和化學(xué)交聯(lián)，與纖維素類(lèi)似，羥基同樣可以采取酯化、醚化等形式進(jìn)行交聯(lián)制備水凝膠。Duan等[48]分別以殼聚糖和纖維素/CMC為原料，表氯醇為交聯(lián)劑，制備了2種生物基水凝膠，并將其與前期制備的2種預(yù)水凝膠通過(guò)不同形式復(fù)合，制備了具有pH響應(yīng)性的智能雙層水凝膠。此外，含有雙活性端基的小分子化學(xué)交聯(lián)劑，如戊二醛、丙二醛、京尼平等，可通過(guò)與殼聚糖分子上的氨基反應(yīng)，交聯(lián)固化成水凝膠。京尼平是一種從梔子水果中提取的天然環(huán)烯醚萜類(lèi)化合物，與醛類(lèi)交聯(lián)劑相比具有極低的細(xì)胞生物毒性，常作為醛類(lèi)化合物的替代交聯(lián)劑[3]。Khurma等[49]通過(guò)殼聚糖與聚乙二醇復(fù)合，以京尼平為化學(xué)交聯(lián)劑，通過(guò)半互穿網(wǎng)絡(luò)交聯(lián)制備了pH/溫度雙敏性水凝膠，隨著溫度和pH的變化水凝膠溶脹率顯示出優(yōu)異的響應(yīng)性能。改性高分子，如聚乙二醇，可利用末端羥基進(jìn)行活化改性，引入反應(yīng)性官能團(tuán)，并以此為交聯(lián)劑，在殼聚糖水凝膠的制備中得到了廣泛應(yīng)用。Zhang等[50]通過(guò)聚乙二醇與對(duì)醛基苯甲酸反應(yīng)，合成了兩端含有苯甲醛基團(tuán)的改性聚乙二醇(DF-PEG)。將DF-PEG作為交聯(lián)劑，利用醛基與殼聚糖分子中的氨基反應(yīng)生成亞胺鍵合成了具有多重響應(yīng)性能的殼聚糖水凝膠，芳香類(lèi)亞胺鍵的高穩(wěn)定性顯著提高了水凝膠的力學(xué)性能，并賦予了該水凝膠優(yōu)異的自修復(fù)性能。Du等[51]分別對(duì)殼聚糖和葡聚糖進(jìn)行疏水化改性和氧化處理，并以這兩種生物基高分子衍生物為原料通過(guò)亞胺鍵和疏水相互作用交聯(lián)制備了可注射、自愈合、高黏附性的水凝膠敷料，其中殼聚糖上的疏水烷基鏈和季銨鹽結(jié)構(gòu)具抗菌止血的功能。不同于其它生物基水凝膠，殼聚糖基水凝膠大多利用氨基質(zhì)子化形成的季銨鹽結(jié)構(gòu)以及氨基與醛基形成的亞胺鍵實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)交聯(lián)和功能化。

2.3 多肽或蛋白質(zhì)基水凝膠

圖3 兩種蠶絲蛋白AaSF和BmSF混合原位成膠示意圖[53]

自組裝是多肽和蛋白質(zhì)構(gòu)筑物理凝膠的主要驅(qū)動(dòng)力，在自組裝過(guò)程中，可以通過(guò)改變體系溫度、組分、溶劑等因素對(duì)水凝膠的結(jié)構(gòu)進(jìn)行有序調(diào)控。為了進(jìn)一步提高多肽和蛋白質(zhì)基水凝膠的力學(xué)性能和功能特性，眾多研究中更加關(guān)注化學(xué)交聯(lián)多肽和蛋白質(zhì)基水凝膠。Jivan等[55]通過(guò)使用兩個(gè)正交點(diǎn)擊反應(yīng)，即硫醇-馬來(lái)酰亞胺Michael加成反應(yīng)和硫醇-降冰片烯點(diǎn)擊反應(yīng)，從線(xiàn)性前驅(qū)體制備PEG-多肽水凝膠。通過(guò)Michael加成反應(yīng)快速形成降冰片烯功能化的PEG-多肽嵌段共聚物，隨后采用二硫醇交聯(lián)劑將其光交聯(lián)成水凝膠。制備的PEG-多肽水凝膠具有高度可調(diào)的理化性質(zhì)和良好的細(xì)胞相容性。

為了獲取更加復(fù)雜的三維凝膠網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，近年來(lái)出現(xiàn)了含多肽和蛋白質(zhì)自組裝的物理/化學(xué)雙重交聯(lián)水凝膠，多肽和蛋白質(zhì)不但參與了凝膠網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)建和對(duì)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的控制，而且還賦予了水凝膠特定的功能，如酶降解和促進(jìn)組織修復(fù)等。Wang等[56]選用了一種類(lèi)彈性蛋白(ELP)的氨基酸序列，通過(guò)控制氨基酸序列特定部位的化學(xué)交聯(lián)和物理自組裝過(guò)程的相對(duì)時(shí)間，實(shí)現(xiàn)了三維“珠串”微結(jié)構(gòu)水凝膠的有效制備和調(diào)控(圖4)，該ELP水凝膠可用于親水性和疏水性藥物的雙重負(fù)載。多肽或蛋白質(zhì)基水凝膠具有良好的生物活性，可在酶的催化作用下降解吸收，在生物體內(nèi)無(wú)毒副作用，在藥物傳遞和可植入電子器件等生物醫(yī)用領(lǐng)域有廣闊的應(yīng)用前景。

圖4 三維“珠串”微結(jié)構(gòu)ELP水凝膠化學(xué)共價(jià)交聯(lián)和溫控誘導(dǎo)自組裝示意圖[56]

2.4 其它生物基水凝膠

生物基水凝膠不僅局限于纖維素類(lèi)、甲殼素類(lèi)和多肽類(lèi)，大部分天然高分子，包括淀粉、海藻酸鹽、卡拉膠等均可通過(guò)物理交聯(lián)或化學(xué)交聯(lián)的方式構(gòu)筑功能性生物基水凝膠。

淀粉是自然界中儲(chǔ)量豐富的碳水化合物，廣泛存在于植物種子、葉子、塊莖、根、果實(shí)和花粉之中[57]。淀粉基水凝膠的合成方法主要是以淀粉與高聚物共混的方式構(gòu)筑三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。Maity等[58]將淀粉與反應(yīng)單體混合并進(jìn)行共聚，經(jīng)交聯(lián)固化后制得水凝膠，隨著淀粉的含量增加，水凝膠的親水性增強(qiáng)，溶脹率提高，Cu(II)和Cd(II)的最大吸附量分別為214.5和193.9 mg/g。González等[59]通過(guò)Diels-Alder反應(yīng)將呋喃化改性淀粉與雙馬來(lái)酰亞胺交聯(lián)合成淀粉基水凝膠。通過(guò)向該凝膠體系中引入納米石墨烯構(gòu)筑納米復(fù)合凝膠，可顯著提高水凝膠的機(jī)械性能、抗菌性能和導(dǎo)電性能。

海藻酸是海藻多糖的主要品種，是由海帶、藻類(lèi)等提取的天然多糖碳水化合物。海藻酸鈉可以在溫和條件下和多價(jià)陽(yáng)離子通過(guò)離子鍵交聯(lián)成水凝膠，以Ca2+為交聯(lián)點(diǎn)可以合成含水量高達(dá)90%～95%的水凝膠，當(dāng)Ca2+含量較低時(shí)形成觸變性水凝膠，隨著Ca2+含量的增加，凝膠網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性逐漸提高，最終形成永久性水凝膠[60-61]。Chen等[62]以改性海藻酸鈉和丙烯酰胺為原料，通過(guò)氫鍵、亞胺鍵等方式交聯(lián)制備水凝膠, 如圖5所示。物理相互作用和化學(xué)共價(jià)交聯(lián)可以同時(shí)提高水凝膠的強(qiáng)度和韌性，可逆動(dòng)態(tài)共價(jià)鍵的引入也賦予了水凝膠自愈合性能。

圖5 海藻酸鈉與丙烯酰胺通過(guò)動(dòng)態(tài)可逆共價(jià)鍵交聯(lián)的方式合成水凝膠[62]

除海藻酸鹽外，卡拉膠是另一種藻類(lèi)提取的天然高分子材料，是一種水溶性非均一多糖。卡拉膠主要通過(guò)與其它材料復(fù)合，利用其它水凝膠的協(xié)同增效作用和化學(xué)改性構(gòu)筑復(fù)合水凝膠。Wu等[63]利用卡拉膠的離子相互作用和聚丙烯酰胺的共價(jià)交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)制備了高透明度和高拉伸性復(fù)合水凝膠，其可承受各種機(jī)械變形，包括高達(dá)1 200%的應(yīng)變、大范圍彎曲和扭曲等。化學(xué)交聯(lián)的水凝膠網(wǎng)絡(luò)雖具有優(yōu)異的機(jī)械性能，但化學(xué)交聯(lián)的不可逆性和有毒化學(xué)交聯(lián)劑的使用限制了相關(guān)水凝膠在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用。Deng等[64]通過(guò)雙物理交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)制備了具有優(yōu)異機(jī)械性能的卡拉膠基水凝膠。該雙網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)由丙烯酰胺-甲基丙烯酸十八烷基酯共聚物的疏水作用和卡拉膠的離子靜電作用組成，合成的復(fù)合水凝膠具有良好的斷裂拉伸應(yīng)力(1 320±46)kPa和韌性(斷裂能(6 900±280)kJ/m3)。

3 生物基水凝膠的應(yīng)用

3.1 生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域

3.1.1作為藥物緩釋和靶向傳輸?shù)妮d體 生物基水凝膠具有類(lèi)似于人體組織結(jié)構(gòu)的黏彈性和適宜的機(jī)械性能，已成為組織工程支架的理想材料；其豐富的孔隙結(jié)構(gòu)和良好的保水性也適于藥物的封裝和緩釋?zhuān)谒幬镙斔皖I(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用潛力。在凝膠制備過(guò)程中，通過(guò)引入刺激響應(yīng)性基團(tuán)，可以實(shí)現(xiàn)凝膠在特定條件或特定位置可逆轉(zhuǎn)化并釋放藥物，從而提高藥物利用率。在水凝膠網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中引入不同含量的纖維素或甲殼素納晶，既可以起到增強(qiáng)效果，又可以改變凝膠網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和形貌，可有效調(diào)控水凝膠結(jié)構(gòu)中的藥物釋放。

溫敏和pH響應(yīng)性水凝膠是藥物輸送研究中常用的兩類(lèi)刺激響應(yīng)性水凝膠。溫敏水凝膠結(jié)構(gòu)的共同特征是存在溫度響應(yīng)性疏水基團(tuán)，如甲基、乙基、丙基等。隨著溫度升高，疏水鏈段之間通過(guò)疏水相互作用的共聚體鏈締合增強(qiáng)，導(dǎo)致水凝膠收縮。當(dāng)在纖維素、殼聚糖等天然高分子上接枝N-異丙基丙烯酰胺或N-乙烯基己內(nèi)酰胺時(shí)，水凝膠隨著溫度升高溶脹率下降，可作為“啟/閉”型藥物釋放材料[65-67]。由于人體胃腸道中的pH范圍為1～7.5，其中唾液5～6、胃1～3、腸6.6～7.5和結(jié)腸6.4～7.0，pH值響應(yīng)性水凝膠在靶向藥物釋放領(lǐng)域具有巨大的潛力[7]。Chang等[68]制備了pH值響應(yīng)性殼聚糖/聚乙烯醇水凝膠用于抗腫瘤藥物氟尿嘧啶的可控釋放研究，當(dāng)pH值為7.4時(shí)，該水凝膠具有優(yōu)良的藥物保持能力及抑制藥物細(xì)胞毒性的作用，可作為注射藥物載體對(duì)腫瘤細(xì)胞進(jìn)行原位局部靶向治療。

3.1.2作為生物組織工程的修復(fù)材料 生物基水凝膠網(wǎng)絡(luò)中含有大量的水分，同時(shí)具有很好的生物相容性和可降解性，是理想的生物組織工程修復(fù)材料。作為組織工程的水凝膠支架需滿(mǎn)足一定技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，包括易加工性、生物降解性、生物相容性、生物活性和細(xì)胞黏附性等，以有效地發(fā)揮作用并促進(jìn)新組織的形成。Zhao等[69]利用羧甲基殼聚糖和無(wú)定型磷酸鈣合成了一種新型納米粒子復(fù)合水凝膠, 如圖6所示。該水凝膠具有良好的生物相容性，可作為組織支架有效支持充質(zhì)干細(xì)胞增殖和細(xì)胞黏附。應(yīng)用研究表明：該復(fù)合水凝膠可顯著提高骨再生的效率和成熟度，同時(shí)抑制了長(zhǎng)期異位成骨模型中的骨吸收過(guò)程。此外，該水凝膠自身也具有骨誘導(dǎo)性，可誘導(dǎo)間充質(zhì)干細(xì)胞中成骨細(xì)胞調(diào)節(jié)因子和骨標(biāo)記物的表達(dá)。

圖6 纖維素基水凝膠的礦化原理[69]

Wang等[70]先將海藻酸鈉溶液浸漬到脫木質(zhì)素木材中，然后引入鈣離子，通過(guò)靜電相互作用交聯(lián)制備了水凝膠，并以此為沉積模板原位礦化羥基磷石灰納米晶，制備了具有高強(qiáng)度和骨傳導(dǎo)性能的各向異性水凝膠復(fù)合材料。該水凝膠良好的生物相容性,羥基磷石灰納米晶體有序排列可以促進(jìn)前成骨細(xì)胞增殖和分化并誘導(dǎo)骨成形，可作為支架用于骨修復(fù)。Xu等[71]利用溶劑置換法制備了純纖維素物理水凝膠，并以此為基體通過(guò)界面聚合，在其表面原位生成了具有層級(jí)結(jié)構(gòu)的聚苯胺微米納粒子，聚苯胺的引入賦予了該水凝膠優(yōu)良的導(dǎo)電性能，可用于誘導(dǎo)神經(jīng)元黏附和定向延伸，有助于促進(jìn)神經(jīng)修復(fù)和再生。纖維素水凝膠作為載體起到了骨架支撐作用，并憑借良好的生物相容性和柔韌性在神經(jīng)支架材料方面表現(xiàn)出巨大的應(yīng)用潛力。Wei等[72]以殼聚糖和海藻酸鈉的衍生物為原料，通過(guò)席夫堿反應(yīng)形成動(dòng)態(tài)可逆交聯(lián)，制備了具有可注射和自愈合特性的水凝膠，將其作為細(xì)胞培養(yǎng)基用于神經(jīng)干細(xì)胞的體外增殖分化，不僅可以檢測(cè)細(xì)胞生長(zhǎng)情況，還可有效解決植入過(guò)程中細(xì)胞流失和剪切受損等問(wèn)題，并且該水凝膠具有類(lèi)似于腦組織的機(jī)械強(qiáng)度，移植到小鼠體內(nèi)后可繼續(xù)作為三維支架，為細(xì)胞增殖提供有利環(huán)境。

利用水凝膠類(lèi)似于人體組織的理化性質(zhì)，結(jié)合生物基材料良好的生物相容性，制備的生物基水凝膠敷料不僅具有良好的柔韌性、黏彈性、透氣保濕性，還能夠阻隔細(xì)菌感染，促進(jìn)傷口愈合[3]。吳述平[73]制備了殼聚糖/半纖維素/TiO2納米顆粒復(fù)合水凝膠。該水凝膠具有優(yōu)良的止血功能和抗菌活性，其對(duì)兔耳動(dòng)脈創(chuàng)面止血時(shí)間為1 min，傷口的出血量?jī)H為0.08 g，明顯優(yōu)于市場(chǎng)上同類(lèi)產(chǎn)品明膠海綿和止血海綿。同時(shí)，該水凝膠還具有優(yōu)良的生物相容性和抗菌性能，對(duì)肺炎雙球菌和金黃色葡萄球菌的抑菌率接近100%。Dantas等[74]系統(tǒng)評(píng)估了海藻酸鈉/殼聚糖復(fù)合水凝膠薄膜對(duì)大鼠機(jī)體燒傷創(chuàng)面愈合的改善作用，通過(guò)與未處理實(shí)驗(yàn)組、單一纖維素膜處理實(shí)驗(yàn)組以及激光輔助治療實(shí)驗(yàn)組進(jìn)行對(duì)比分析發(fā)現(xiàn)：激光輔助療法的海藻酸鈉/殼聚糖復(fù)合水凝膠敷料可有效促進(jìn)皮膚的膠原化過(guò)程、上皮和血管形成，顯著改善了燒傷愈合效果。Cheng等[75]以硫醇化修飾的牛血清蛋白為主要原料，通過(guò)巰基與銀離子的配位交聯(lián)成功構(gòu)建了具有血管化和抗菌能力的可注射多肽-蛋白質(zhì)水凝膠，以此模擬細(xì)胞外基質(zhì)用于傷口愈合,如圖7所示。

圖7 蛋白質(zhì)基抗菌水凝膠合成原理及應(yīng)用示意圖[75]

實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示：銀離子不僅具有抗菌特性，還可以接枝含有硫醇基團(tuán)K2(SL)6K2(KK)活性多肽，賦予水凝膠血管化能力，該水凝膠在傷口愈合的早期能夠促進(jìn)皮膚的膠原蛋白沉積和血管再生，進(jìn)而加速傷口愈合。Mao等[76]以細(xì)菌纖維素水凝膠為基體，通過(guò)原位沉積的方式引入明膠和硒納米粒子，構(gòu)筑了具有顯著抗菌、抗氧化和抗炎能力的多功能納米復(fù)合水凝膠，用于傷口愈合。該水凝膠除了具有良好的物理機(jī)械性能和生物活性，還能夠?qū)ω?fù)載物進(jìn)行持續(xù)緩釋?zhuān)煌瑫r(shí)，對(duì)于膠原蛋白沉積和肉芽組織生成具有顯著功效，能夠有效地避免傷口感染，促進(jìn)皮膚再生。

3.2 材料領(lǐng)域

水凝膠的三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)為金屬離子和染料分子的滲透提供了通道，其多孔結(jié)構(gòu)為吸附質(zhì)的富集提供了足夠的空間，生物基材料表面的羥基、羧基、氨基、磺酸基等官能團(tuán)作為活性位點(diǎn)通過(guò)靜電相互作用為吸附提供了驅(qū)動(dòng)力，因此，生物基水凝膠可以作為吸附材料用于污染物的分離[3]。被吸附離子或分子與凝膠中的官能團(tuán)主要有以下3種不同的相互作用方式：1)N和(或)O的孤對(duì)電子與金屬離子之間的絡(luò)合作用[77-78]；2)凝膠網(wǎng)絡(luò)中質(zhì)子化的氨基、羧基等各種陰、陽(yáng)離子之間的靜電相互作用或離子交換作用[79-80]；3)以絡(luò)合金屬作為成核位點(diǎn)的金屬離子結(jié)晶[77,81]。

Ma等[82]以廢舊棉紡織品、AM為原料，BIS為交聯(lián)劑，制備了一系列纖維素基復(fù)合水凝膠。該復(fù)合水凝膠具有多孔和片層結(jié)構(gòu)，賦予其對(duì)Cd2+，Cu2+和Pb2+等重金屬離子優(yōu)異的吸附性能和良好的可重復(fù)使用性。Tan等[83]以含氨基的水溶性桃膠多糖為原料，表氯醇為交聯(lián)劑，通過(guò)化學(xué)交聯(lián)構(gòu)筑了桃膠多糖基水凝膠，該水凝膠對(duì)Cr6+離子吸附符合準(zhǔn)二級(jí)動(dòng)力學(xué)和Langmuir等溫模型，最大吸附容量可達(dá)188.32 mg/g，對(duì)Cr6+的去除效率高于 99.5%。除重金屬離子外，工業(yè)廢水中印染廢水也占有較大的比例，印染廢水中的陰、陽(yáng)離子染料可通過(guò)水凝膠吸附來(lái)處理。Qiu等[84]通過(guò)自由基聚合法制備了聚丙烯酰胺/海藻酸鈉接枝蒙脫土高吸水性復(fù)合水凝膠，其對(duì)陽(yáng)離子染料亞甲基藍(lán)的最大吸附量高達(dá)2 639 mg/g，遠(yuǎn)高于聚丙烯酰胺/蒙脫土復(fù)合水凝膠的亞甲基藍(lán)最大吸附量(1 954 g/L)。Yan等[85]通過(guò)溫控誘導(dǎo)，以羥丙基纖維素為原料，環(huán)氧氯丙烷和氨作為交聯(lián)劑，在堿性條件下合成了微孔水凝膠。在季銨鹽和染料陰離子之間強(qiáng)靜電相互作用條件下，該陽(yáng)離子型水凝膠對(duì)陰離子染料如甲基橙具有優(yōu)異的吸附能力，最大吸附量達(dá)到2 478 mg/g。

通過(guò)化學(xué)改性在水凝膠體系中引入功能性基團(tuán)或添加無(wú)機(jī)納米填料進(jìn)行復(fù)合，可有效提高生物基水凝膠的吸附選擇性和吸附量。Chatterjee等[86]研究發(fā)現(xiàn)，含有0.01%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))碳納米管的殼聚糖基復(fù)合水凝膠對(duì)剛果紅的吸附能力比未加碳納米管的殼聚糖水凝膠高2.5倍。Yan等[87]采用氯乙酸對(duì)殼聚糖水凝膠微粒進(jìn)行醚化改性，可有效提高該水凝膠對(duì)Cu2+的選擇性吸附。Nata等[88]制備了一種易收集的纖維素/胺化Fe3O4復(fù)合水凝膠，氨基在低pH值條件下的質(zhì)子化可有效提高其對(duì)金屬離子的吸附性能。

3.3 其它應(yīng)用

生物基水凝膠在產(chǎn)品包裝、驅(qū)動(dòng)傳感、光電催化等領(lǐng)域也具有巨大的潛在應(yīng)用價(jià)值。Gregorova等[89]以聚乙烯吡咯烷酮和CMC為原料，制備了具有柔韌、透明、保水、透氣、可生物降解等性能的復(fù)合水凝膠薄膜，可用作環(huán)保型包裝材料。離子型生物基復(fù)合水凝膠如CMC/殼聚糖、纖維素海藻酸鹽等，具有較高的環(huán)境敏感性，會(huì)對(duì)pH值、離子強(qiáng)度和電場(chǎng)等外部刺激因素做出響應(yīng)，水凝膠兩側(cè)差異性收縮潤(rùn)脹在內(nèi)部產(chǎn)生不對(duì)稱(chēng)應(yīng)力，使水凝膠表現(xiàn)出固定形變，可用作微傳感器或制動(dòng)器。此外，也有相關(guān)研究利用生物基水凝膠的介電性能，通過(guò)原位沉積聚合或?qū)訅簭?fù)合等方式將水凝膠表面與導(dǎo)電材料復(fù)合，用于組裝超級(jí)電容器。生物基水凝膠三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)不僅可以作為電解液的流動(dòng)通道，還提供骨架支撐作用和機(jī)械強(qiáng)度，起到固定電解質(zhì)的作用。Sheng等[90]以海藻酸鈉作為固體電解質(zhì)、以非晶氧化鉬作為電極組裝了可降解的超級(jí)電容器，用于可植入醫(yī)療電子器件。利用四唑鹽(MTT)比色法對(duì)該器件所用材料進(jìn)行了細(xì)胞毒性的評(píng)估，結(jié)果顯示：氧化鉬微納米片和海藻酸鈉電解質(zhì)具有較高的生物相容性，器件封裝后，在模擬體液環(huán)境(37 ℃，0.1 mmol/L 磷酸緩沖鹽溶液)中可以有效工作 30 d，任務(wù)完成后會(huì)在體內(nèi)完全降解。

生物基水凝膠作為Ag[91]、Au[92]、Pd[93]和TiO2[94]等金屬粒子的載體，在催化領(lǐng)域也有廣闊的應(yīng)用前景。水凝膠之所以能夠穩(wěn)定負(fù)載無(wú)機(jī)催化劑，除了充分利用其本身多孔結(jié)構(gòu)和高比表面積外，還得益于水凝膠網(wǎng)絡(luò)表面的羥基、羧基、胺基等活性官能團(tuán)，這些基團(tuán)能和金屬離子或納米顆粒絡(luò)合配位，從而使得催化劑被螯合固定在凝膠網(wǎng)絡(luò)表面。Yang等[95]在沒(méi)有使用任何還原劑、分散劑的條件下，在細(xì)菌纖維素水凝膠的三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中原位合成Ag納米顆粒，制備了銀納米顆粒摻雜的細(xì)菌纖維素納米多孔膜。由于其獨(dú)特的納米多孔結(jié)構(gòu)，所制備的膜對(duì)兩種典型的有機(jī)染料(羅丹明6G和甲基橙)表現(xiàn)出高效的連續(xù)催化脫色，而且它具有優(yōu)異的可回收性，即使在重復(fù)使用10次后，脫色效率仍保持在99%。

4 總結(jié)與展望

隨著水凝膠應(yīng)用領(lǐng)域的拓展，單一的交聯(lián)結(jié)構(gòu)已經(jīng)不能滿(mǎn)足其使用過(guò)程中的機(jī)械性能要求?；ゴ┚W(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)在水凝膠交聯(lián)體系中有良好的發(fā)展前景，其中化學(xué)交聯(lián)提供強(qiáng)度，而物理交聯(lián)作為“犧牲鍵”提供韌性，雙網(wǎng)絡(luò)交聯(lián)結(jié)構(gòu)獨(dú)特的能量耗散機(jī)制使水凝膠的機(jī)械性能明顯提升。此外，由動(dòng)態(tài)共價(jià)鍵或其他超分子相互作用產(chǎn)生的可逆交聯(lián)結(jié)構(gòu)，在水凝膠可注射、自修復(fù)、形狀記憶等性能的開(kāi)發(fā)和研究中也逐漸得到關(guān)注。

近年來(lái)，生物基水凝膠材料在基礎(chǔ)研究取得一系列顯著成果的同時(shí)，實(shí)際應(yīng)用也面臨著諸多挑戰(zhàn)，比如開(kāi)發(fā)無(wú)細(xì)胞毒害性的交聯(lián)劑和改性劑，提高刺激響應(yīng)速率和識(shí)別精準(zhǔn)度，提高吸附量和負(fù)載量，改善其抗疲勞性和極限環(huán)境適應(yīng)性等。結(jié)合時(shí)代發(fā)展趨勢(shì)，對(duì)水凝膠未來(lái)開(kāi)發(fā)利用作了以下展望：1)以生物基水凝膠模擬細(xì)胞質(zhì)外基質(zhì)微環(huán)境進(jìn)行細(xì)胞培養(yǎng)，并利用水凝膠流變特性和自愈合性能，結(jié)合4D打印技術(shù)，對(duì)生物組織進(jìn)行體外誘導(dǎo)增殖和可控生長(zhǎng)，有望實(shí)現(xiàn)器官或組織再生和移植。2)刺激相應(yīng)性水凝膠目前已能夠針對(duì)pH、溫度等多種物理化學(xué)信號(hào)作出響應(yīng)，但是對(duì)激素、神經(jīng)信號(hào)等生物信號(hào)的刺激響應(yīng)性鮮有報(bào)道，生物信號(hào)響應(yīng)性或?qū)⒊蔀獒t(yī)用水凝膠的研究熱點(diǎn)。3)水凝膠三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)含有大量親水基團(tuán)，在海水淡化、油水分離、污水凈化、水收集等方面有廣闊的發(fā)展前景；同時(shí)，生物基材料來(lái)源廣泛、成本低廉、可自然降解，可廣泛應(yīng)用于農(nóng)業(yè)、工業(yè)等基礎(chǔ)行業(yè)。隨著研究的不斷深入、制備工藝的完善以及凝膠性能的提高，相信不久的將來(lái)，生物基水凝膠材料將在多個(gè)領(lǐng)域逐步得到應(yīng)用。