水凝膠是由親水的聚合物鏈在水中發(fā)生交聯(lián)后形成的，制備它的方法有很多種，比如靜電作用、共價化學鍵交聯(lián)等方法。由于水凝膠含有大量的水，它能被應用到很多領(lǐng)域，比如組織工程、藥物釋控、軟電子等領(lǐng)域。傳統(tǒng)水凝膠缺乏強度，容易發(fā)生斷裂，而且它們內(nèi)部的結(jié)構(gòu)簡單，缺乏特殊的功能，這很大程度上限制了它們的應用。因此，工程應用的水凝膠通常是改性的水凝膠。

    分子層面的設計可以提高水凝膠的物理化學性能。例如，可以通過聚合物鏈的交聯(lián)網(wǎng)狀化提高水凝膠的強度和拉伸性。同理，也可以通過將水凝膠中的共價網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)粘接在固體表面，增強水凝膠與固體的粘接性能。具有納米雜化、靜電作用以及其它特性的自修復水凝膠，在損傷后具有強大的自修復能力。此外，利用相應的技術(shù)對水凝膠進行改造，可以得到不同結(jié)構(gòu)、活性以及功能的水凝膠。甚至，還可以采用編程的方法，對聚合物鏈的物理化學性質(zhì)進行動態(tài)模擬，得到不同結(jié)構(gòu)的水凝膠；3D打印技術(shù)還可以精準的提供具有不同結(jié)構(gòu)的水凝膠模型。

    研究人員對水凝膠，特別是對具有增強型物理化學性能的工程水凝膠的研究越來越深入，從具有新型化學性質(zhì)及組分的水凝膠的設計，到對具有復雜結(jié)構(gòu)的水凝膠進行動態(tài)模擬，研究既全面又深入。近，哈佛醫(yī)學院的Ali Khademhosseini（通訊作者）等人對水凝膠的設計和工程化應用以及在多尺度層面優(yōu)化水凝膠特性的方法進行了綜述，并以“Advances in engineering hydrogels”為題發(fā)表在了2017年5月5日的Science上。

綜述總覽圖

圖1 具有增強物化性能的工程水凝膠示意圖

    水凝膠的力學性能已經(jīng)大幅度提高，同時，其剪切稀化性質(zhì)、自修復能力和響應性質(zhì)也有所增強。此外，已經(jīng)有技術(shù)可以在時間和空間層面精準控制它的形狀，結(jié)構(gòu)和構(gòu)造。

1. 水凝膠的形成

    分散在水溶液介質(zhì)中的聚合物鏈通過多種機理發(fā)生交聯(lián)后，形成水凝膠。這些機理包括：物理糾纏、離子反應、化學交聯(lián)等，具體的機理由聚合物的內(nèi)在特性決定。

圖2 水凝膠的交聯(lián)

（A）由溫度引起的聚合物鏈糾纏；

（B）分子自組裝；

（C）離子凝膠化；

（D）靜電相互作用；

（E）化學交聯(lián)

 2．水凝膠強度的優(yōu)化

    傳統(tǒng)水凝膠的拉伸能力只幾倍于原長，而且斷裂能量小于100Jm^-2。因此研究開發(fā)高強度、拉伸性能好的水凝膠，并將其應用于生物材料、可穿戴設備等領(lǐng)域，具有非常好的前景。

圖3 水凝膠力學性能的優(yōu)化

（A）利用長鏈聚合物和具有可逆物理性質(zhì)的交聯(lián)聚合物制備的可拉伸水凝膠。可拉伸水凝膠可拉伸至原長的21倍，l為伸長系數(shù)（松開區(qū)域的終長度／原始長度）（右圖）；圖中是藻酸鹽、PPAm和藻酸鹽－PPAm的壓縮－伸長曲線，都是拉伸至水凝膠斷裂

（B）基于滑環(huán)機理的可拉伸水凝膠。右圖為細長的NIPAAM-AAcNa-HPR-C水凝膠和不同水凝膠的應力-應變曲線，其中(i) NIPAAM-AAcNa-BIS，質(zhì)量分數(shù)0.65，(ii) NIPAAM-AAcNa-BIS，質(zhì)量分數(shù)0.065，(iii) NIPAAM-AAcNa-HPR-C，質(zhì)量分數(shù)2.00，(iv) NIPAAM-AAcNa-HPR-C，質(zhì)量分數(shù)1.21，(v) NIPAAM-AAcNa-HPR-C，質(zhì)量分數(shù)0.65

（C）水凝膠與光滑表面的*結(jié)合能力。右圖是水凝膠與玻璃結(jié)合后，其剝離過程；單位寬度水凝膠的剝離力與不同水凝膠與固體結(jié)合的位移

3. 水凝膠的斷裂和修復

在受到損傷后能自修復為原始狀態(tài)的水凝膠可以應用到很多領(lǐng)域，包括生物醫(yī)藥、表面處理和柔性電子設備等。在受到外力或者損傷之后，水凝膠在水溶液的環(huán)境中，能夠重新再次反應，從而自修復。這是因為水凝膠中的聚合網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)具有可逆而且非常強的物理相互作用，其作用機理包括：靜電相互作用、氫鍵、疏水作用以及主客體相互作用等。

圖4 具有剪切稀化性質(zhì)和自修復能力的水凝膠

（A）通過納米復合制備的具有剪切稀化性質(zhì)的水凝膠。底圖為納米復合材料復原的測量圖，其測量方法是水凝膠在不同應變條件下（100%應變和1%應變），測量復合材料的模

（B）離子相互作用的自修復水凝膠。左下圖為不同時間樣品的復原情況圖，右下圖是樣品的兩種新切割表面（紅色和藍色）或者一種新切割和一種舊切割表面（白色）的自修復情況

（C）氫鍵相互作用的自修復水凝膠。底圖是經(jīng)過高pH（pH>9）處理后，在低pH中處理的水凝膠自修復情況，水凝膠能在酸性溶液中（pH<3）重新修復

（D）主客體相互作用的自修復水凝膠。底圖是在NaClO溶液中處理24h后，水凝膠的切口沒有修復，但是谷胱甘肽水溶液處理氧化的切口24h后，水凝膠的切口有粘附現(xiàn)象

4．水凝膠的動態(tài)模擬

不管是生物體系還是合成體系，它們都不是靜態(tài)的，而是動態(tài)的。目前，體系的動態(tài)模擬已被廣泛引用。采用它來模擬水凝膠體系，是一個很有吸引力的研究方向。水凝膠的動態(tài)模擬的方法有很多種，包括：光化降解法、光度圖形法、細胞響應反饋系統(tǒng)法和溫度響應變形法。

圖5 水凝膠在微環(huán)境下的動態(tài)模擬

（A）光化降解法。利用對光不穩(wěn)定的性質(zhì)，形成光化降解（左下圖）；輻照條件下，水凝膠表面發(fā)生了腐蝕，尺度為100μm（右下圖）

（B）動態(tài)光度圖形法。動態(tài)光度圖形和光釋放；利用熒光二次抗體，將圖案主要抗體顯現(xiàn)出來，從而終光釋放，形成二次圖案，尺度為3mm（底圖）

（C）細胞響應反饋系統(tǒng)法。細胞響應的分裂反饋和逆分裂不反饋系統(tǒng)；底圖為測量得到的重組體TIMP-3(rTIMP-3)的活性，測量方法為利用其抑制重組體MMP-2 (rMMP-2)，發(fā)現(xiàn)此過程中（左圖）TIMP-3沒有減少MMP-2；底圖為含封裝的rTIMP-3（實心點）、不含封裝的rTIMP-3（空心點）與rMMP-2（方形）或不與rMMP-2（三角形）孵育效果圖，發(fā)現(xiàn)此過程中，封裝的rTIMP-3使含有rMMP-2的水凝膠降解過程變?nèi)?/p>

（D）溫度響應變形法。溫度響應變形水凝膠

5．水凝膠的形變

生物組織具有非常復雜的結(jié)構(gòu)，許多組織具有分層的組裝結(jié)構(gòu)，從而在納米或者微觀層面具有生物活性。因此，人造生物器官組織必須通過合理的設計，保證其結(jié)構(gòu)特性和生物功能的準確性，而利用水凝膠制備的柔性制動器和電子設備可能同樣要求精準的時間和空間控制，從而達到呈現(xiàn)出不同功能所需要的非均質(zhì)性。

圖6 水凝膠在宏觀層面的形變

（A）水凝膠通過形狀互補形成自組裝

（B）利用DNA序列互補膠粘形成自組裝

（C）固定噴嘴的生物打印

（D）通過具有非平衡腫脹雙層打印結(jié)構(gòu)進行4D仿生打印

【總結(jié)和展望】

水凝膠是一種很重要的材料，它含水豐富，物化性能可以在很大范圍內(nèi)發(fā)生改變。一直以來，研究人員對水凝膠進行了大量的研究，水凝膠的性能也得到了很大程度的增強，應用的領(lǐng)域也不斷擴大。

但是，水凝膠的幾個關(guān)鍵難點還一直未解決，具體包括：

（1）水凝膠的臨床醫(yī)學應用還需要更嚴格的測試，美國FDA只批準了少數(shù)幾種水凝膠在臨床的應用；

（2）水凝膠的力學性能還需要再增強，從而能應用到更多的領(lǐng)域；

（3）水凝膠配方與先進生物制造技術(shù)的結(jié)合具有很大的潛力，但是還需要進行嚴格優(yōu)化，從而滿足合適的生物制造需求；

（4）印制水凝膠結(jié)構(gòu)可能是動態(tài)調(diào)節(jié)的，在材料設計的時候，需要考慮時間維度，形成4D打印。

盡管如此，研究人員相信，在不久的將來，隨著技術(shù)和方法的不斷進步，具有增強特性的水凝膠可以被制備出來。終，工程水凝膠也會根據(jù)其需求和設計，得到廣泛的應用。

文獻鏈接：Advances in engineering hydrogels （Science，2017，DOI: 10.1126/science.aaf3627）

本文由材料人編輯部高分子小組熊文杰提供，材料牛整理編輯。

轉(zhuǎn)載：Science綜述：工程水凝膠的研究進展  作者：yuanyukun888