自愈合水凝膠的應用研究進展

龐相琛

摘要：水凝膠是一種以大量水為分散介質且質地柔軟的高分子材料，廣泛應用于日常生活。而自愈合是材料能夠自動地修復破損、恢復材料原有性能的一種性質。由于水凝膠材料大多力學強度較低，使用過程易發生機械損傷且損傷后性能大大降低，無法繼續滿足使用要求。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的水凝膠材料具有十分重要的意義，可以延長水凝膠的使用壽命、降低成本、擴大其應用范圍。隨著技術的不斷發展，自愈合水凝膠材料在醫用器械、仿生電子皮膚、可注射水凝膠等方面備受關注，因此本文將對自愈合水凝膠材料的實現機理以及應用研究進行綜合闡述。

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.

關鍵詞：自修復材料;水凝膠;應用研究進展

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

中圖分類號：R318.08 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼：A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號：1006-4311（2020）01-0215-04

0 ?引言

水凝膠是能保持一定形狀的三維網狀結構高分子溶脹體，可以吸收、保持大量水或水溶液，在水中發生溶脹而又不會溶解于水，質地柔軟（如圖1所示）[1]。構成水凝膠的聚合物主鏈或側鏈上有親水基團（-OH、-COOH等），在溶脹后，相當一部分水與這些親水基團形成氫鍵，故水凝膠可以保持大量水分。水凝膠材料具有很多優異特性，其在日常生活、生物醫用、藥物等方面應用十分普遍。如具有生物相容性的水凝膠可以用于醫療器材、藥物載體、止血凝膠、高強度仿生皮膚。但是水凝膠作為一種軟物質材料，不足之處主要在于機械強度較低，容易在工作過程中受到機械損傷而縮短使用壽命，所以開發出高強度的水凝膠一直是科學家們的研究方向。除此之外，還可以通過賦予水凝膠自愈合的特性，使得水凝膠在破損后可以自動愈合，則能大大延長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，具有自動愈合損傷的能力，能夠利用固有的資源去恢復原有的功能，自我愈合的過程分為自發的或需要外界刺激（如加熱、光照等）。自愈合材料相對傳統材料優越性在于損傷后能像人類皮膚一樣自行愈合，恢復原有結構和功能，大大延長了材料的使用壽命，提高使用安全性并降低維護成本，可謂安全又環保，為實現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、刺激響應性和優越的生物相容性以及生物組織相似性在生物醫用（如止血載藥等）、制備柔性電子器件、形狀記憶材料等領域有著開闊的發展前景[3]。

1 ?水凝膠自愈合機理

水凝膠是由親水性高分子交聯而成的三維網絡體系，不同的交聯方式會賦予水凝膠不同的性質，比如氫鍵交聯、光交聯、pH響應交聯等。由具有動態特性的交聯網絡構建形成這種材料具有本征性的自愈性，因此設計動態可逆的交聯作用是制備自愈合水凝膠的關鍵。可逆交聯作用一般分為可逆共價鍵作用（如亞胺鍵）和可逆非共價鍵作用（如氫鍵）[4]。一方面動態化學鍵對多種環境刺激具有響應性，另一方面可對外界破壞造成的損傷進行自我修復，能自我調節以適應環境變化，為將自愈性水凝膠開發為自適性多功能智能新材料的發展奠定了基礎。

1.1 可逆共價鍵作用

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）發生縮合反應而生成的，具有動態可逆的特性[5]（如圖2所示）。因此以亞胺鍵為交聯結構的水凝膠具有一定的自愈合性。目前廣泛應用于生物醫用材料中的高分子如殼聚糖、聚賴氨酸、聚乙烯亞胺、葡聚糖、蛋白質及多肽等物質含有豐富的氨基，利用這些高分子來設計亞胺鍵交聯制備的自愈合水凝膠在生物醫學方面有著巨大的應用前景。

酰腙鍵也是一種動態可逆的化學鍵，由酰肼和醛基反應生成。酰腙鍵在動態共價鍵中屬于結合較穩定的一類，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態共價化學鍵的多糖基自愈合水凝膠，通過己二酰肼交聯氧化海藻酸鈉生成可逆酰腙鍵，同時通過氧化海藻酸鈉交聯水溶性殼聚糖得到可逆亞胺鍵。該水凝膠在生理條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

Diels-Alder反應，又名雙烯加成，由共軛雙烯與烯烴或炔烴反應生成六元環的反應，具有熱可逆性，可用作自愈合水凝膠的化學交聯反應。之前的研究中，科研人員開發了具有彈性、可注射性的多功能水凝膠和基于DA點擊化學的組織粘合能力用于軟骨組織修復。此外，通過呋喃基和馬來酰亞胺之間的DA點擊化學形成的環己烯衍生物（氧-降冰片烯基團）可以通過硫醇-烯反應進行有效地與硫醇基團反應，可以用于進一步官能化水凝膠。

1.2 可逆非共價鍵作用

1.2.1 氫鍵作用

氫鍵是一種比共價鍵和離子鍵作用弱的非共價鍵力，它普遍存在于生物體和化學分子中。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制備氫鍵交聯的自愈合水凝膠。北京師范大學汪輝亮課題組研究人員利用浸泡和冷拉的方法來增強聚合物之間的氫鍵相互作用，從而制備了一種力學強度超過塑料的超強韌聚乙烯醇/聚丙烯酸水凝膠。通過冷凍-解凍法制備了物理交聯的聚乙烯醇（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PVA凝膠中，PAA鏈上的羧基與PVA鏈上的羥基會形成大量的氫鍵，增大了水凝膠的交聯密度。此外，通過將PVA/PAA水凝膠進行冷拉處理，使得水凝膠內部的高分子鏈進一步靠近并高度取向，誘導PVA與PAA分子鏈間更多的氫鍵形成，使其力學性能得到極大提升，從而制備了一種力學強度超過塑料的超強韌水凝膠（圖3）。實驗表明，分子鏈之間的氫鍵交聯作用提升了材料的力學性能并賦予了它優越的自愈合性能。

1.2.2 金屬配位鍵作用

金屬配位鍵是由過渡金屬離子（如Fe3+、Zn2+、Cu2+）提供空軌道、配體（如-OH、-COOH等基團）提供孤對電子形成的一類化學鍵。金屬配位鍵具有動態可逆的性質，是制備剪切變稀和自愈合水凝膠的一種有效分子設計策略。通過在高分子骨架上共價結合配體分子，并向其中引入金屬離子，即可形成基于配體-金屬配位鍵的交聯點，從而制備出具有自愈合性能的水凝膠。通過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強度的水凝膠，用以滿足不同生物醫學應用中的力學需求。基于以上特點，wei等開發出了一種簡單的自愈合水凝膠制備方法：在丙烯酸水溶液中加入Fe3+，通過聚合反應形成聚丙烯酸大分子骨架的同時，Fe3+與-COOH發生配位作用形成交聯點，從而制備了金屬配位交聯的自愈合水凝膠（圖4所示）。

湖南大學施李楊等利用雙膦酸根和金屬之間形成的動態配位鍵開發了一類具有自愈合特性的水凝膠，這種具有動態可逆網絡結構的雙膦酸-金屬配位水凝膠可實現“凝膠-溶膠-凝膠”的轉化，注射時間點無窗口期限制[7]。將開發的雙膦酸和金屬離子交聯的水凝膠用作3D打印墨水、組織修復支架以及藥物緩釋載體[8]，并取得了良好的體內外生物學效果。由此可見動態配位鍵是開發動態可逆性能的水凝膠生物材料的一種重要的化學策略，有著開闊的發展前景。

2 ?自修復水凝膠的應用研究

2.1 生物醫用水凝膠

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、能夠保持軟骨細胞表型、可原位成型等多方面優勢，已成為一種較為理想的軟骨組織工程支架材料，在生物醫用材料有廣闊的應用前景。

華南理工大學的曹曉東教授通過Diels-Alder點擊化學法和動態化學交聯酰腙鍵，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合（如圖5所示），有望解決植入體在術后松動或脫落等不良問題。

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態偶聯反應，探討了在溫和條件下利用催化劑誘導鹽酸酪氨衍生物之間發生偶聯反應的可行性，并利用該可逆化學鍵來構筑兼具良好自愈性能、力學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小時后，接觸樣品已經完全自愈合，切口消失，最后將水凝膠與細胞進行三維共培養，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域的潛在應用。該水凝膠優良的機械性能、超高的自主自愈合性能以及生物相容性為其在組織工程、創傷敷料等領域提供了良好的應用前景，同時通過引入這種溫和條件下的偶聯反應制備自主自愈材料為設計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器人等領域的發展，模仿人體皮膚感知能力和力學性能的多功能傳感器的研發和制備受到越來越多研究者的關注。在化學領域里，特定結構的高分子水凝膠就可以模擬人的觸覺，因為其中的載流子就是電子，和人真實皮膚的工作原理非常接近。

武培怡教授課題組在對高分子的分子內以及分子間相互作用機理的研究基礎上，提出了一系列調控凝膠力學、電學和光學性質的設計：

①利用納米級無定形礦物粒子和天然多糖的離子作用，調節物理交聯聚丙烯酸的粘彈性，所構筑的仿生皮膚可以快速自修復，并且具有更高的應力響應靈敏度;

②利用刺激響應水凝膠的體積相轉變行為，將外界刺激轉變為有效電信號，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相互作用，實現多重動態交聯網絡，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性質，具有壓縮回彈性，可大幅拉伸，可自修復，可在室溫下的任意塑形，并通過電阻和電容的兩種電信號，同時實現對外界應力應變和溫度刺激的感知;

④進一步引入α-甲基，則可以實現對具有相同共聚單體結構的水凝膠相變行為從UCST到LCST的廣泛調節，基于此構筑的仿生水凝膠皮膚不僅具有多重電信號感知效果，還可以實現可調節的溫度-光學響應效果。極大改善和拓寬了基于凝膠類的仿生皮膚的應用前景。

2.3 電子器件/傳感器

可拉伸導電材料在未來各種領域的應用是不可或缺的，例如可拉伸板、柔性儲能裝置、電極、傳感器和可穿戴裝置。為了實現這些目標，關鍵問題是同時引入機械強度和電導率。導電水凝膠由于其優異的柔韌性，良好的電氣特性和可調諧的機械性能而具有一體化潛力。迄今為止，各領域的研究人員中已經廣泛研究了導電水凝膠，例如，應用于柔性超級電容器和傳感器中的導電聚合物水凝膠。

劉明杰教授課題組報道了由PVA網絡、導電聚合物PEDOT：PSS和H2O/EG溶劑組成的抗凍導電油水凝膠（圖7所示）[9]。EG形成氫鍵和致密結晶疇使材料具有高的機械強度。此外，氫鍵和結晶區的物理交聯導致防凍導電油水凝膠為熱塑性和自愈性，并具有可重塑性和可重復使用性。結合上述所有性質，導電油水凝膠可以在諸如柔性電極、傳感器、能量存儲裝置和可穿戴裝置等各種領域中，在零下溫度下應用。

3 ?總結與展望

水凝膠在我們生活中起著不可或缺的作用，憑借各優異性能，為我們的生產生活帶來極大的便利。為完善其功能，隨著科研人員對水凝膠研究逐漸深入，自愈合水凝膠材料成為一大熱點。自愈合水凝膠可廣泛使用于生物醫用、制備柔性皮膚材料等特殊專業領域。由于其具有良好的親水性、對多種環境刺激響應性、高強度、高拉伸性、高韌性優異的自修復與循環利用性能，水凝膠在生物組織工程和電子皮膚等方面擁有獨到的優勢，為各行業提高工作效率、降低了風險，更逐漸走進人們的日常生活。但這種材料的制備技術仍不完善，高含水量使其機械性能差，在提高機械性能上仍有很大的發展空間，加上研發成本和專業技術要求較高，所以還沒有廣泛投入市場。因此自愈合水凝膠材料未來研究方向主要在降低生產成本，尋找最優方案和配置方法;集中各種機理的水凝膠各自的優勢于同一種材料，開拓其用途;研發水凝膠弊端解決方法，提高水凝膠機械性能;繼續研發不需修復劑的自修復材料，促成友好型環境的發展。

參考文獻：

[1]Shi， L.*; Ding， P.; Wang， Y.; Zhang， Y.; Ossipov， D. *; Hilborn， J. *， Self-Healing Polymeric Hydrogel Formed by Metal-Ligand Coordination Assembly： Design， Fabrication， and Biomedical Applications. Macromol. Rapid Commun. 2019， 1800837.

[2]Gang Wangab， Jiehua Zhuab， Xiaofeng Chenabc， Hua DongORCID logoabc， Qingtao Lid， Lei Zengab and Xiaodong Cao. Alginate based antimicrobial hydrogels formed by integrating Diels Alder “click chemistry” and the thiol–ene reaction. RSC Adv.， 2018， 8， 11036-11042.

[3]WEI Z， HE J， LIANG T， et al. Autonomous self-healing of poly（acrylic acid） hydrogels induced by the migration of ferric ions [J]. Polymer Chemistry， 2013， 4（17）： 4601-5.

[4]Shi， L.; Wang， F.; Zhu， W.; Xu， Z.; Fuchs， S.; Hilborn， J.; Zhu， L.; Ma， Q.; Wang， Y.; Weng， X.; Ossipov， D. A.， Self-Healing Silk Fibroin-Based Hydrogel for Bone Regeneration： Dynamic Metal-Ligand Self-Assembly Approach. Adv. Funct. Mater. 2017， 27，1700591.

[5]JIA Y， LI J. Molecular Assembly of Schiff Base Interactions： Construction and Application [J]. Chemical Reviews， 2015， 115（3）： 1597-621.

[6]WEI Z， YANG J H， LIU Z Q， et al. Novel Biocompatible Polysaccharide-Based Self-Healing Hydrogel [J]. Advanced Functional Materials， 2015， 25（9）： 1352-9.

[7]Gang Wang， Jiehua Zhu， Xiaofeng Chen， Hua Dong， Qingtao Li， Lei Zeng and Xiaodong CaoAlginate based antimicrobial hydrogels formed by integrating Diels–Alder "click chemistry" and the thiol ene reaction）.

[8]Wang Y ， Xu Q ， Chen T ， et al. A dynamic-coupling-reaction-based autonomous self-healing hydrogel with ultra-high stretching and adhesion properties[J]. Journal of Materials Chemistry B， 2019.

[9]Anti‐freezing， Conductive Self-healing Organohydrogels with Stable Strain㏒ensitivity at Subzero Temperatures[J]. Angewandte Chemie， 2017， 129（45）：14159-14163.