天然高分子基水凝膠的分類及研究進展

柳清蔚 王 哲 宋曉宇

（河南理工大學材料科學與工程學院，河南 焦作 454003)

0 引言

水凝膠是一類特殊的聚合物，具有存在一定親水能力的三維高分子網絡結構，在水中能夠大量吸收水分發生溶脹現象，這種結構使水凝膠兼備柔性與一定的剛性［1-2］。而分子鏈本身的高可設計性，則使水凝膠可同時具備黏附性、自修復性、導電性等多種特性，因此在生物醫藥、日常家化、新型農業、紡織工業和人工智能等領域得到廣泛應用。人工合成高分子材料是傳統高分子凝膠的主要基體，一般為常用的化工原料，如聚乙烯醇（PVA)、聚乙二醇（PEG)、聚丙烯酸（PAA)、聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA)等，這些化工原料的合成工藝復雜，且此類凝膠具有較差的生物相容性，對環境也會造成一定的污染，一定程度上影響了其應用發展。而自然界中存在的生物（動植物及微生物)是天然高分子材料的主要來源，利用現代工藝就可實現規模化生產，其產品既具有優異的生物可降解性又可保持原有的生物相容性，用于制備的水凝膠較好地解決了合成高分子凝膠生物相容性差、難以降解的問題，具有較好的經濟適用性。

1 概況

水凝膠存在多種類型。依據水凝膠膠體組織的大小可分為宏觀凝膠與微觀凝膠兩種類型，其中宏觀凝膠又可根據其孔徑形狀細分為柱狀、多孔海綿狀、纖維狀、膜狀、球狀等類型。根據水凝膠分子間成鍵方式的差異，一般可分為物理凝膠和化學凝膠，最大的區別是其對于溫度和化學環境變化而導致的穩定性差異，物理凝膠通過加熱溫度升高,分子間物理氫鍵斷裂轉變為液體狀態，而化學凝膠是由化學鍵交聯而成的三維網絡聚合物，整體穩定性較好。近幾年，水凝膠的環境敏感性研究取得重要進展，依據其對外界刺激響應程度的差異又分為環境敏感型水凝膠和傳統型水凝膠兩大類，環境敏感型水凝膠對外界環境的變化非常敏感，其響應甚至能帶來相應的物理結構和化學性質變化［3］，而傳統的水凝膠對環境的變化不敏感。

隨著材料科學的快速發展，基體材料來源的研究更加深入，根據其來源的差異，又將高分子基水凝膠分為合成高分子基水凝膠和天然高分子基水凝膠。合成高分子基水凝膠的基體主要為常用的化工原料，這類基體通常單獨或復合使用。雖然傳統的合成高分子基水凝膠已廣泛應用在工業生產中，但其仍具有不可降解、不可再生、生物相容性差和環境污染大等缺點。而殼聚糖、淀粉、纖維素、木質素等天然高分子，具有可降解、生物相容性好、可再生、來源廣泛、綠色無污染等多種優點［4］，已經開始運用于各種領域。

2 天然高分子基水凝膠分類及應用

人類社會的進步離不開天然高分子，天然高分子材料最早主要被用作生活生產資料，隨著人類文明發展天然高分子制品逐漸得到有效應用，化學纖維和塑料是現代社會應用較廣泛的有機材料，其最早的制備來源于天然高分子的改性［5］。通常可將天然高分子分為四大類（多糖、核酸、蛋白質和樹脂類)，在應用領域內根據基體的差異，天然高分子基水凝膠可細分為殼聚糖基、木質素基、海藻酸鈉基、纖維素基等類型［6］。

2.1 殼聚糖基水凝膠

殼聚糖來源廣泛，含量豐富，主要由甲殼素脫去部分乙酰基獲得，是目前自然界發現的唯一堿性多糖。其最大特點是分子鏈上富含羥基、氨基等具有反應活性的基團，因此通過化學改性，如酰化、羧基化、硝化、磺化、席夫堿化等可生成一系列親水性衍生物，交聯形成的殼聚糖基水凝膠則具有較好的生物相容性、抗菌性和可降解性，現主要應用于藥物傳遞、傷口敷料、重金屬吸附、電子器件等領域。

Pakzad等人［7］利用殼聚糖季銨鹽、β-甘油磷酸和碳酸氫鈉制備了一種殼聚糖基熱敏水凝膠用于治療青光眼，其原理是由一種低于室溫的溶液，當其接觸到眼球表面時，可在幾分鐘內變為透明水凝膠，穩定控釋藥物長達一周時間。由于靜電作用及負電荷吸附，殼聚糖基水凝膠眼液比傳統滴眼液更加穩定，且殼聚糖與甘油磷酸結合所展現的熱敏性可將凝膠溫度穩定控制在眼球表面溫度，臨床應用后無炎癥跡象。Shamloo等人［8］采用凍融法制備了一種殼聚糖水凝膠，與蜂蜜結合后運用到傷口敷料。通過研究創面部位的病理特征，顯示水凝膠擁有的高抗菌活性和細胞相容性，可以維持含有成熟膠原蛋白結構的良好表皮層不被破壞，并加快傷口愈合的速度。Lalita等人［9］將N-異丙基丙烯酰胺接枝到殼聚糖上，制備的pH響應殼聚糖水凝膠作為生物吸附劑，對多種金屬離子都具有良好的吸附效果，在金屬離子濃度為5 mg/L的水溶液中，對應三種金屬離子Cr（Ⅵ)、Fe（Ⅱ)和Cu（Ⅱ)的吸附率分別超過了75%、90%和95%。Cao等人［10］利用殼聚糖與鋰/銀離子交聯制備了殼聚糖凝膠電解質，應用于非對稱超級電容器，試驗循環10 000次后庫倫效率仍然維持在99%，顯示出良好的穩定性與耐疲勞性。

2.2 木質素基水凝膠

木質素是一種由苯丙烷單元組成的天然高分子，廣泛存在于植物中，不同來源的木質素結構不盡相同，但本質上都是多酚結構聚合物，具有甲氧基、酚羥基、醇羥基、芳香基等多種活性基團，可作為化學修飾和化學改性的優良材料。木質素基水凝膠可以應用于農業領域、生物醫藥領域、食品領域及柔性電子領域。

Mazloom等人［11］以堿木質素和聚乙二醇縮水甘油醚為原料制備了木質素基吸水性水凝膠，可作為干燥、鹽堿地的水分保持劑，該凝膠成本低廉可再生，符合綠色合成原則，無植物毒性，對生產和土壤健康沒有風險，是一種為受干旱影響的鹽堿地植物保存土壤水分的技術解決方案。Zhao等人［12］制備的木質素-多糖復合水凝膠可作為人體肝細胞培養的生物載體。柔性親水性多糖鏈段和剛性疏水性木質素鏈段的結合賦予這種多孔生物載體較高的強度和兩親性，滿足醫用天然高分子材料的基本要求。細胞培養結果表明，由于水凝膠載體上的半乳糖可以被肝細胞受體識別，大量的肝細胞可以黏附在多孔載體上，使細胞增殖率和代謝活性顯著提高。Wang等人［13］首次制備了具有非對稱黏附性的木質素磺酸鈉摻雜水凝膠。通過Fe3+的定向浸泡調節，使水凝膠上表面無黏結，下表面有黏結，可以很好地黏附在人體皮膚上，并有效地防止污染物附著在上表面。良好的抗干擾性和柔性，可以賦予該水凝膠所組裝的柔性電子穿戴設備持久黏結作用。Zhang等人［14］則利用木質素的反應活性和大分子剛性增強聚乙烯醇水凝膠，制備的復合水凝膠具有良好的pH響應性和機械性能，可用于多功能傳感器及濕致發電，為下一代自供電設備系統提供思路。

2.3 海藻酸鈉基水凝膠

海藻酸鈉是天然的陰離子多糖，來自海洋藻類，因其無毒無害、生物相容性佳以及能與二價或多價金屬離子交聯形成凝膠而具有重大的應用價值。其主鏈含有大量的—COO—活性基團，使其具有pH敏感性、親水性、黏附性等，海藻酸鈉基水凝膠也因此在創面止血、藥物輸送、組織工程、電子皮膚等應用方面具有廣闊前景。

Ren等人［15］開發了可以涂覆在注射器針面的海藻酸鹽-CaCl2基水凝膠，當干燥的涂層進入人體后可轉化為濕潤的水凝膠，增加與創面的附著力，拔針時水凝膠則與針面分離脫落，原位封閉創面。涂層在完全刺穿前不會脫落，且可有效黏附在組織上，具有防止血管和臟器穿刺后出血的作用。Shen等人［16］利用負載阿霉素的生物降解殼聚糖-海藻酸鈉凝膠膠囊進行了體內和體外的抗腫瘤研究，該凝膠膠囊不僅能有效誘導MCF-7細胞的凋亡，且對耐藥乳腺癌具有顯著的抗腫瘤活性，在腫瘤補位的滯留時間也比相同劑量未負載于凝膠膠囊上的阿霉素更長，證明了其對局部化療的適用性。Peng等人［17］利用海藻酸鈉制備了一種導電水凝膠，具有較高的電導率，且作為電解質所組成的柔性超級電容器具有較高的性能，更為重要的是，該凝膠在使用過后仍可以被降解，體現出了海藻酸鈉基材料的綠色可降解性。

2.4 纖維素基水凝膠

纖維素是地球上植物中最豐富的可再生碳的來源，是分布最為廣泛的天然多糖，具有良好的可再生性。纖維素具有較高的分子間、分子內氫鍵和范德華力，使得纖維素內部結構較為緊密，因此難溶于水和有機溶劑。但分子鏈上含有大量的羥基，通過一系列物理或化學改性，可使其具有較好的親水性。現在應用比較多的羧甲基纖維素、羥乙基纖維素以及纖維素納米纖維等纖維素衍生物都具有較強的親水性，這些親水衍生物制備的水凝膠則在種植農業、組織工程、藥物運載、離子電池等方面具有重要的應用價值。

Zhang等人［18］制備了擁有較高親水性的微孔結構纖維素陰離子水凝膠，該水凝膠可以作為植物生長調節劑，促進種子的萌發和生長。真菌生長試驗結果表明，纖維素陰離子水凝膠具有良好的土壤抑菌活性，可以作為植物生長的無土培養基。

3 天然高分子基水凝膠研究進展

天然高分子水凝膠最早主要應用于生物、醫用材料等領域，并得到快速發展，其固有的生物可降解性和較好的生物相容性是其可用于這些領域的重要因素。隨著現代科技的迅猛發展和社會進步的要求，新型功能材料的應用更加廣泛，各領域的需求越來越大。因此，制備工藝簡單的天然高分子水凝膠備受關注，成為研究的重點，此類水凝膠同時還具備良好的生物相容性以及可控降解性能，且制備流程短，通過簡單的處理就能得到理想的化學和力學性能，因此在仿生器械、細胞工程支架及藥物控制釋放等領域均具有良好的應用前景。

近年來，很多學者針對水凝膠的力學機械強度和環境適應性領域存在的瓶頸問題，開展了天然高分子刺激響應性水凝膠的系統研究，取得了一定進展，為后期的深化研究和成果的轉化積累了寶貴經驗，綜合考慮該類材料相應應用領域的發展需求，除了要進一步完善其生物可降解性和相容性外，環境響應速度、機械強度及多重功能復合性等方面是制約其發展的關鍵。因此相關關鍵問題的攻關主要包括以下幾個方面：一是天然高分子凝膠刺激的環境敏感度及可控性的深化研究；二是探索適用于天然高分子材料的改構、改性方法，不斷提高其應用性能；三是注重開發制備工藝更加簡化、制備成本低的多功能高分子基水凝膠；四是加快綜合應用研究，加快產業化轉換步伐。

4 結語

近年來，隨著國家綠色低碳轉型戰略的持續推進，構建以綠色低碳為導向的生產體系勢在必行，而天然高分子材料的綜合應用正是解決這一問題的標準答案。天然高分子基水凝膠的來源廣泛、成本低，具有優異的環境敏感性、生物相容性、生物降解性和綠色可再生性，廣泛應用于醫用醫藥、種植農業、電子工業等重要領域，應大力開發新型綠色天然材料并將其切實應用到實際生產生活中，激勵到位、政策合力，進一步健全天然高分子基水凝膠產品的標準體系、認證體系、市場體系等，有效推動“十四五”工業生產綠色轉型。