基于動(dòng)態(tài)共價(jià)鍵和非共價(jià)鍵相互作用的自愈合水凝膠研究進(jìn)展

劉瑞雪，陳紀(jì)超，李迎博

鄭州輕工業(yè)大學(xué) 材料與化學(xué)工程學(xué)院，河南 鄭州 450001

0 引言

水凝膠作為一種極其親水的三維凝膠網(wǎng)絡(luò)，能夠在溶脹狀態(tài)下吸收并保留大量水而不溶解，且其柔軟的性能特點(diǎn)與人體軟組織非常相似. 這種特殊的性能使得水凝膠材料廣泛應(yīng)用于生物醫(yī)學(xué)、仿生材料等領(lǐng)域[1-3]. 然而，常規(guī)水凝膠被破壞或使用疲勞時(shí)，會(huì)使其失去原有性能，發(fā)生不可逆的損傷，這嚴(yán)重限制了水凝膠應(yīng)用領(lǐng)域的擴(kuò)展. 受生物系統(tǒng)內(nèi)血管組織破裂的自修復(fù)、皮膚損傷后的自愈合等啟發(fā)，在過(guò)去的一段時(shí)間內(nèi)，許多研究人員對(duì)在損傷部位設(shè)計(jì)合成可自愈合的水凝膠產(chǎn)生了濃厚興趣.

自我修復(fù)材料是指在損壞后能夠自動(dòng)將特性恢復(fù)到原始狀態(tài)，從而延長(zhǎng)使用壽命的材料. 自愈合水凝膠作為一種受損后可自我修復(fù)的功能性水凝膠，通過(guò)外部刺激(光、熱量、pH值調(diào)節(jié)及自修復(fù)劑)或水凝膠內(nèi)部官能團(tuán)的相互作用(動(dòng)態(tài)共價(jià)鍵、非共價(jià)鍵相互作用)，可實(shí)現(xiàn)其自修復(fù)[4-7]. 但基于外部刺激的自愈合機(jī)制，通常會(huì)因外部刺激引起水凝膠發(fā)生相轉(zhuǎn)變、性質(zhì)不可逆變化或自愈合不能重復(fù)穩(wěn)定發(fā)生而產(chǎn)生很大束縛，違背了自愈合設(shè)計(jì)的初衷. 因此，近年來(lái)，基于水凝膠自主式自愈合設(shè)計(jì)研究引起學(xué)者的廣泛關(guān)注[8-10]，一系列不同自愈合機(jī)制的功能性水凝膠應(yīng)運(yùn)而生，有效改善了水凝膠損壞后不能自主恢復(fù)的致命缺點(diǎn)，極大促進(jìn)了水凝膠向多功能復(fù)合型水凝膠的發(fā)展，進(jìn)一步拓寬了水凝膠在生物醫(yī)用、人工智能、3D/4D生物打印等領(lǐng)域的應(yīng)用. 本文基于水凝膠自主式自愈合機(jī)制，對(duì)近年來(lái)自愈合水凝膠的最新研究成果和應(yīng)用現(xiàn)狀進(jìn)行梳理闡述，以期為未來(lái)設(shè)計(jì)開發(fā)性能更理想的自愈合水凝膠提供理論參考.

1 自愈合水凝膠概述

近期報(bào)道的關(guān)于水凝膠的自主式自愈合機(jī)制均基于其交聯(lián)結(jié)構(gòu)的可逆性，常常涉及動(dòng)態(tài)共價(jià)鍵[11-12](如席夫堿鍵[13]、苯基硼酸酯絡(luò)合物[14-15]、Diels-Alder 反應(yīng)[16-19]和二硫鍵[20-21]等)及動(dòng)態(tài)非共價(jià)鍵相互作用(如氫鍵相互作用[22-25]、離子相互作用(金屬配位)[26-27]、主體與客體相互作用[28-30]、疏水性相互作用[31]等).眾所周知，水凝膠的穩(wěn)定性和自愈合能力及其機(jī)械性能與水凝膠合成過(guò)程中使用的化學(xué)鍵數(shù)量和強(qiáng)度(或類型)直接相關(guān). 因此，了解水凝膠的自愈合機(jī)制對(duì)于設(shè)計(jì)不同自愈合效果的水凝膠至關(guān)重要.

1.1 基于動(dòng)態(tài)共價(jià)鍵的自愈合水凝膠

傳統(tǒng)化學(xué)法合成的共價(jià)鍵交聯(lián)的水凝膠聚合物網(wǎng)絡(luò)是不可逆的，且水凝膠往往呈現(xiàn)出較脆的性能，在使用過(guò)程中很容易疲勞或損壞. 而動(dòng)態(tài)共價(jià)鍵作為一種可以在溫和環(huán)境中可逆斷裂-形成的化學(xué)鍵，因具有良好的動(dòng)態(tài)可逆性，常被用于自愈合水凝膠的構(gòu)建[32-35].

1.1.1 基于動(dòng)態(tài)席夫堿鍵的自愈合水凝膠亞胺鍵是一種由伯胺和活性羰基(如醛基、酮基)通過(guò)可逆縮合反應(yīng)生成的化學(xué)鍵，俗稱席夫堿鍵.席夫堿鍵作為一類能動(dòng)態(tài)可逆斷裂重組的化學(xué)鍵，近年來(lái)被廣泛引入水凝膠網(wǎng)絡(luò)用于構(gòu)筑自愈合水凝膠. 殼聚糖、聚乙烯亞胺等高分子聚合物可通過(guò)自身富含的氨基與含醛基、酮基的分子交聯(lián)反應(yīng)制備水凝膠，并可依靠亞胺鍵的動(dòng)態(tài)可逆性獲得獨(dú)有的自愈合性能.

圖1 基于動(dòng)態(tài)席夫堿共價(jià)鍵的自愈合機(jī)理圖[36]Fig.1 Self-healing mechanism based on dynamic covalent bond of Schiff Base[36]

1.1.2 基于硼酸酯鍵的自愈合水凝膠硼酸酯鍵作為一種能響應(yīng)多種刺激(如溫度、pH值等)的動(dòng)態(tài)可逆共價(jià)鍵，同樣被廣泛應(yīng)用于自愈合水凝膠的制備. 通常，以含有二醇結(jié)構(gòu)的聚乙烯醇(PVA)或鄰苯二酚結(jié)構(gòu)的高分子為單體，與含有苯硼酸結(jié)構(gòu)的高分子基于二醇-硼酸酯或鄰苯二酚-硼酸酯絡(luò)合形成硼酸酯鍵[39]，用于自愈合水凝膠的分子設(shè)計(jì).

G.F.Wu等[40]制備了PVA與改性海藻酸鈉形成的自愈合水凝膠，合成機(jī)理如圖2所示. PVA鏈上的羥基與改性海藻酸鈉的苯硼酸基團(tuán)形成動(dòng)態(tài)重組的硼酸酯鍵，賦予水凝膠可以在幾秒鐘內(nèi)完成的快速自愈合特性.而且，該水凝膠中甘油的存在增加了其耐寒性，在-25.1 ℃時(shí)仍表現(xiàn)出良好的抗凍性和彈性.

圖2 PVA與改性海藻酸鈉形成的自愈合水凝膠的形成機(jī)理及微觀結(jié)構(gòu)[40]Fig.2 Formation mechanism and microstructure of functionalized hydrogel composed of PVA and modified sodium alginate[40]

NaCl和其他無(wú)機(jī)鹽還賦予該水凝膠良好的導(dǎo)電性，使其具有良好的類皮膚特性. F.Ji等[41]以甲基丙烯酸二甲氨基乙基酯(DMAEMA)為堿性單體，與1,4-苯二硼酸(BDBA)和N-羥甲基丙烯酰胺(NAM)自由基共聚合制備機(jī)械性能增強(qiáng)的室溫自愈合水凝膠. 該凝膠表現(xiàn)出高達(dá)368 kPa的斷裂應(yīng)力、542%的斷裂應(yīng)變及良好的抗疲勞性能(在200%應(yīng)變下進(jìn)行拉伸循環(huán)實(shí)驗(yàn)后僅有輕微變形).由于BDBA與NAM間硼酸酯鍵的動(dòng)態(tài)可逆性，所制備的水凝膠在室溫下1 h內(nèi)能成功恢復(fù)91%的斷裂應(yīng)力，并在24 h后實(shí)現(xiàn)100%的自愈合而無(wú)需外部刺激. 該水凝膠還具有pH響應(yīng)性，酸性(pH=5)和中性(pH=7)條件下凝膠的機(jī)械性能恢復(fù)速率遠(yuǎn)小于堿性條件下的水凝膠. 這種簡(jiǎn)單有效的制備方法為基于硼酸酯鍵的自修復(fù)材料提供了一種新穎的思路，有望擴(kuò)大自愈合凝膠在智能材料中的應(yīng)用范圍.R.W.Guo等[42]以雙(苯基硼酸氨基甲?；?胱胺(BPBAC)的硼酸基團(tuán)為交聯(lián)劑，與二醇或鄰苯二酚發(fā)生絡(luò)合反應(yīng)，形成了含有多巴胺的甲基丙烯酰胺(DOPMA)水凝膠，其自愈合與響應(yīng)機(jī)理如圖3所示. 硼酸酯與鄰苯二酚之間的動(dòng)態(tài)平衡和鍵重排不僅可以賦予水凝膠多重響應(yīng)性，而且還使其具有優(yōu)異的自愈合能力. 切開的兩片水凝膠無(wú)需外部處理就可以在約1 min內(nèi)自動(dòng)融合為一體，且大約5 min后，在自愈合區(qū)域觀察不到明顯的切割痕跡. 此外，愈合后的界面堅(jiān)固到足以承受凝膠自身的重量. 大振幅重復(fù)掃描流變測(cè)試結(jié)果顯示，該水凝膠的內(nèi)部微結(jié)構(gòu)重組修復(fù)可以瞬時(shí)完成. 這種無(wú)需外部干預(yù)即可快速自動(dòng)愈合的過(guò)程，使得該自愈合水凝膠在智能藥物輸送系統(tǒng)、醫(yī)用膠粘劑、密封膠等領(lǐng)域具有潛在的應(yīng)用前景.

圖3 BPBAC與二醇或含鄰苯二酚的聚合物形成自愈合水凝膠及多重響應(yīng)機(jī)理示意圖[42]Fig.3 Schematic diagram of self-healing hydrogel formed by BPBAC and diol or catechol-containing polymer and its representative mechanism of multi-reactivity[42]

1.1.3 基于二硫鍵的自愈合水凝膠二硫鍵是動(dòng)態(tài)可逆的共價(jià)鍵，普遍存在于生物體中，對(duì)維持蛋白質(zhì)的三級(jí)結(jié)構(gòu)和細(xì)胞內(nèi)氧化還原電位起著重要的作用. 二硫鍵受pH值、氧化還原劑等外界環(huán)境的影響，可實(shí)現(xiàn)與硫醇的快速轉(zhuǎn)變，被廣泛應(yīng)用于制備自愈合水凝膠.G.H.Deng等[43]開發(fā)了一種基于二硫鍵和?；赕I的自愈合水凝膠. 在堿性環(huán)境下，該水凝膠通過(guò)二硫鍵-硫醇的轉(zhuǎn)變反應(yīng)實(shí)現(xiàn)了自愈合. 自愈合過(guò)程在室溫下觸發(fā)，無(wú)需外部刺激. 自愈合48 h的水凝膠的應(yīng)力-應(yīng)變測(cè)試曲線顯示，斷裂應(yīng)力和應(yīng)變可達(dá)到原始強(qiáng)度和伸長(zhǎng)率的50%以上.酰基腙鍵的存在也使該凝膠在中性和酸性條件下具有自愈合能力. 二硫鍵和?；赕I還可以響應(yīng)化學(xué)試劑(例如二硫赤蘚糖醇或H2O2)的刺激，使凝膠發(fā)生獨(dú)特的溶膠-凝膠可逆轉(zhuǎn)變. 因此，含二硫鍵和?；赕I的自愈合水凝膠的多響應(yīng)性將使其作為智能軟材料，在器官修復(fù)或刺激響應(yīng)性藥物傳遞方面發(fā)揮巨大的作用.

1.1.4 基于Diels-Alder(DA)反應(yīng)的自愈合水凝膠DA反應(yīng)具有快速、高效、選擇性高、無(wú)副產(chǎn)物等優(yōu)點(diǎn)，被認(rèn)為是交聯(lián)水凝膠中最理想的共價(jià)鍵[44-46]. DA環(huán)加成反應(yīng)具有可逆性，可用于自愈合水凝膠的制備[47-49].

C.Y.Shao等[50]開發(fā)了一種通過(guò)可逆的DA反應(yīng)將呋喃基改性纖維素納米晶體(CNC)與馬來(lái)酰亞胺末端官能化的PEG交聯(lián)，制備CNC-PEG納米復(fù)合水凝膠簡(jiǎn)便有效的方法，合成路線與自愈合機(jī)理如圖4所示. 該水凝膠表現(xiàn)出良好的機(jī)械性能、抗疲勞性和自愈合性，90 ℃條件下即可促進(jìn)其自愈合，且機(jī)械性能恢復(fù)78%. CNC-PEG水凝膠良好的自愈合性能為設(shè)計(jì)高性能生物相容性水凝膠提供了新的思路.W.Zhao等[47]報(bào)道了以細(xì)胞相容性富烯改性的葡聚糖為主鏈，二氯馬來(lái)酸改性的聚乙二醇為交聯(lián)劑，生理?xiàng)l件下(pH=7.4、37 ℃)制備可逆的DA反應(yīng)交聯(lián)的葡聚糖基自愈水凝膠,該水凝膠在生理?xiàng)l件下表現(xiàn)出優(yōu)異的自愈特性. 這項(xiàng)研究提供了一種制備多糖自修復(fù)水凝膠的簡(jiǎn)便方法，拓寬了自愈合水凝膠在細(xì)胞封裝等生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用空間.

圖4 自愈合CNC-PEG納米復(fù)合水凝膠的合成路線與自愈合機(jī)理示意圖[50]Fig.4 Schematic diagram of synthesis route of self-healing CNC-PEG nanocomposite hydrogel and self-healing mechanism[50]

動(dòng)態(tài)共價(jià)鍵既擁有傳統(tǒng)共價(jià)鍵優(yōu)異的穩(wěn)定性能，又具有斷裂后自主締合的特點(diǎn)，對(duì)水凝膠的自愈合有著重要的促進(jìn)作用. 席夫堿、硼酸酯鍵、二硫鍵、DA反應(yīng)共價(jià)鍵都是典型的動(dòng)態(tài)共價(jià)鍵，基于這類化學(xué)鍵制備的自愈合水凝膠得到了很好的發(fā)展，極大延長(zhǎng)了水凝膠基柔性材料的使用壽命. 但是，動(dòng)態(tài)共價(jià)鍵的穩(wěn)定性也存在對(duì)自修復(fù)環(huán)境(如pH值、溫度等)要求較高的缺點(diǎn).因此，構(gòu)筑能在多種環(huán)境下發(fā)生自愈合行為的水凝膠是自愈合水凝膠研究的一個(gè)重要方向.

1.2 基于動(dòng)態(tài)非共價(jià)鍵相互作用的自愈合水凝膠

動(dòng)態(tài)非共價(jià)鍵相互作用是一種物理相互作用，具有天然的動(dòng)態(tài)斷裂重組可逆性和穩(wěn)定性，是設(shè)計(jì)自愈合水凝膠的良好選擇. 近年來(lái)，基于動(dòng)態(tài)非共價(jià)鍵相互作用自愈機(jī)理制備自愈合水凝膠的研究受到了研究者青睞.

1.2.1 基于離子相互作用的自愈合水凝膠離子相互作用(金屬配位)通常是指具有空軌道的過(guò)渡金屬離子(Fe3+、Zn2+、Cu2+等)與含有孤對(duì)電子的基團(tuán)(-COOH、-NH2、-OH等)的配位(螯合)作用，具有配體選擇范圍廣、可快速響應(yīng)、可調(diào)控的優(yōu)點(diǎn)，在自愈合水凝膠合成中應(yīng)用十分廣泛[51].

T.T.Li等[52]通過(guò)預(yù)制、摻合和Al3+浸漬法，制備了聚丙烯酸-殼聚糖@單寧酸-鋁離子(PAA-CS@TA-Al3+)雙網(wǎng)水凝膠，合成示意圖如圖5所示. 交聯(lián)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)賦予凝膠優(yōu)異的拉伸性(≈32 kPa)和斷裂伸長(zhǎng)率(≈1700%)；Al3+與PAA的羧基、CS@TA的鄰苯二酚的動(dòng)態(tài)結(jié)合，賦予該水凝膠良好的自愈合性能，在60 min內(nèi)自愈率約為92.2%；動(dòng)態(tài)流變測(cè)試結(jié)果表明，自愈合后凝膠的儲(chǔ)能模量(G′)可以恢復(fù)到96%，證實(shí)了其良好的自愈合能力. 此外，CS@TA使凝膠具有黏性，進(jìn)一步加速了自愈合過(guò)程. W.Chen等[53]將羧甲基纖維素鈉(CMC)引入PAA-Fe3+水凝膠，賦予了其高拉伸強(qiáng)度(4.42 MPa)、高韌性(耗散能達(dá)1.98 MJ/m3)和良好的自愈合性能.該水凝膠優(yōu)異的自修復(fù)性能歸因于PAA與CMC之間的金屬離子配位鍵的動(dòng)態(tài)重建.

圖5 PAA-CS@TA-Al3+雙網(wǎng)絡(luò)水凝膠的合成示意圖[52]Fig.5 Schematic diagram of the synthesis of PAA-CS@TA-Al3+ double network hydrogel[52]

1.2.2 基于氫鍵相互作用的自愈合水凝膠

氫鍵是氫原子直接與高電負(fù)性原子(如氧原子、氮原子、氟原子)相互作用形成的，具有分子間易形成的優(yōu)點(diǎn)，且隨所處環(huán)境溫度和pH值變化表現(xiàn)出不同的性質(zhì)，即擁有可逆變化的能力. 當(dāng)水凝膠受到外界破壞時(shí)，聚合物的分子鏈在氫鍵的作用下具有流動(dòng)性，從而賦予其自愈合性[54].

X.X.Sun等[55]利用氫鍵相互作用制備了具有優(yōu)異機(jī)械性能的自愈合PVA-瓊脂水凝膠. 該水凝膠經(jīng)凍融循環(huán)后，PVA分子間、PVA分子與瓊脂分子間會(huì)形成氫鍵，使該水凝膠具有自愈合性能. 愈合后的水凝膠可以承受2.3 kg的重量、5.0 MPa的拉伸強(qiáng)度，斷裂伸長(zhǎng)率可達(dá)450%. J.S.Chen等[56]利用多重氫鍵的動(dòng)態(tài)非共價(jià)鍵相互作用開發(fā)了一種具有良好可拉伸性、高電導(dǎo)率(13 s/m)和快速自愈合能力(30 s內(nèi)完全的自愈合)的多功能聚苯胺/聚(4-苯乙烯磺酸鹽)-2-脲基-4 [1H]-嘧啶酮水凝膠(PANI/PSS-UPy)，其合成路線和非共價(jià)鍵相互作用機(jī)理如圖6所示. UPy的多重氫鍵賦予了該水凝膠優(yōu)異的自愈合能力，且該水凝膠能夠準(zhǔn)確、可靠地監(jiān)測(cè)多種人體活動(dòng)，包括手指和手腕彎曲的大運(yùn)動(dòng)，吞咽、說(shuō)話、脈搏跳動(dòng)等細(xì)微運(yùn)動(dòng)，因此該水凝膠在生物傳感材料方面具有一定的應(yīng)用潛力.

圖6 PANI / PSS-UPy水凝膠的合成路線和非共價(jià)鍵相互作用機(jī)理示意圖[56]Fig.6 Schematic diagram of the synthesis process and noncovalent interaction mechanism of PANI/PSS-UPy hydrogel[56]

1.2.3 基于疏水相互作用的自愈合水凝膠疏水相互作用[57]是疏水性聚合物鏈段在水溶液中相互聚集、締合，形成動(dòng)態(tài)的交聯(lián)點(diǎn)[58]，疏水締合微區(qū)的可逆分解賦予水凝膠自愈合的能力，是開發(fā)自愈合水凝膠的常用方法之一. 改變疏水單體的化學(xué)結(jié)構(gòu)、位置或含量可以調(diào)整疏水相互作用的強(qiáng)度，改善水凝膠的性能[59].

Q.F.Zheng等[60]利用海藻酸鈉(SA)與Fe3+形成一個(gè)交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)、十二烷基硫酸鈉(SDS)膠束增溶的甲基丙烯酸十八烷基酯(SMA)和丙烯酰胺(AM)共聚后形成以膠束為物理交聯(lián)點(diǎn)的另一個(gè)交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)，設(shè)計(jì)合成了具有兩個(gè)物理交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)的互穿PAM/SA-Fe3+水凝膠，合成路線及交聯(lián)機(jī)理如圖7所示. 斷切后，70 ℃條件下靜置12 h后，該水凝膠可以完全自愈合.

圖7 PAM/SA-Fe3+水凝膠的合成路線及交聯(lián)機(jī)理示意圖[60]Fig.7 Schematic diagram of the preparation of PAM/SA-Fe3+ hydrogel and its network structure[60]

L.Ye等[61]受完全物理交聯(lián)的凝膠機(jī)理啟發(fā)，選擇以具有熱凝化性能的多糖(Curdlan)為第一網(wǎng)絡(luò)，以陰離子表面活性劑SDS、陽(yáng)離子表面活性劑十六烷基三甲基溴化銨(CTAB)共同作用的膠束增溶SMA與AM共聚合，形成以膠束為物理交聯(lián)點(diǎn)的第二網(wǎng)絡(luò)，一鍋法制備了具有良好機(jī)械性能、自恢復(fù)和自愈合性的雙網(wǎng)絡(luò)水凝膠，其在95 ℃條件下自愈合4 h后，各項(xiàng)性能恢復(fù)率約為50%.

1.2.4 基于主-客體相互作用的自愈合水凝膠主-客體相互作用一般發(fā)生在兩個(gè)或多個(gè)化學(xué)物質(zhì)通過(guò)非共價(jià)鍵相互作用時(shí). 在超分子主-客體相互作用中，當(dāng)一部分(客體)物理插入另一部分(宿主)時(shí)，兩者之間會(huì)通過(guò)非共價(jià)鍵相互作用保持在一起，通過(guò)這種相互作用可逆性構(gòu)造的聚合物網(wǎng)絡(luò)表現(xiàn)出自愈合性質(zhì). 環(huán)糊精、金剛烷等主體大分子與客體分子間的相互作用被廣泛用于自愈合水凝膠的制備.

Y.Zhou等[62]提出了一種基于“超分子交聯(lián)劑”方法的分子設(shè)計(jì)，制備了具有超強(qiáng)可拉伸性、自愈合性、可注射性和理想的生物相容性的新型主、客體水凝膠，制備示意圖如圖8所示. 星形超分子交聯(lián)劑HGP是由含有八個(gè)環(huán)糊精多面體的低聚倍半硅氧烷(OCDPOSS)和丙烯酰胺改性的金剛烷(Ad-AAm)之間經(jīng)主-客體相互作用形成的. 剛性的OCDPOSS作為超分子交聯(lián)劑的核心，賦予超分子水凝膠優(yōu)異的機(jī)械性能；多價(jià)宿主與客體的相互作用改善了這些水凝膠的延展性，促進(jìn)了凝膠網(wǎng)絡(luò)內(nèi)鏈的滑移和有效的客體識(shí)別功能，提供了HGP基水凝膠良好的機(jī)械行為和快速的自愈合特性.Z.X.Deng等[63]利用超分子主-客體相互作用制備了基于β-環(huán)糊精(β-CD)、N-異丙基丙烯酰胺(NIPAM)、多壁碳納米管(CNT)和納米結(jié)構(gòu)聚吡咯(PPY)的自修復(fù)導(dǎo)電水凝膠.β-CD與NIPAM之間的超分子主-客體相互作用賦予了該水凝膠優(yōu)異的穩(wěn)定性和良好的自修復(fù)性能：連續(xù)應(yīng)變測(cè)試顯示，高應(yīng)變掃描時(shí)(PNIPAM-co-β-CD)/CNT/PPY水凝膠的G′從380.0 Pa降至1.8 Pa；應(yīng)變掃描恢復(fù)到1%，G′也能立即恢復(fù).

圖8 超分子交聯(lián)劑HGP及其水凝膠的制備示意圖Fig.8 Preparation of HGP supramolecular crosslinker and HGP hydrogel

基于離子、氫鍵、疏水締合和主-客體等動(dòng)態(tài)非共價(jià)鍵相互作用形成的自愈合水凝膠，快速的自愈合能力促進(jìn)了其在生物醫(yī)學(xué)、電子傳感等方面的應(yīng)用發(fā)展. 但由于動(dòng)態(tài)非共價(jià)鍵的作用力較弱，水凝膠往往存在力學(xué)性能較差的缺點(diǎn)，這在一定程度上限制了自愈合水凝膠應(yīng)用領(lǐng)域的擴(kuò)展.

2 自愈合水凝膠的應(yīng)用

自愈合水凝膠作為一種既擁有良好的自愈合性、耐疲勞性和可重復(fù)循環(huán)使用性，又兼具常規(guī)水凝膠的親水性、對(duì)環(huán)境刺激的響應(yīng)性等優(yōu)點(diǎn)的新型功能性水凝膠，成為目前水凝膠研究的熱點(diǎn)之一. 近年來(lái)，隨著國(guó)內(nèi)外專家學(xué)者對(duì)自愈合水凝膠的深入研究，自愈合水凝膠的應(yīng)用領(lǐng)域得到了極大擴(kuò)展，其在傷口敷料和藥物輸送、組織工程、仿生電子皮膚、可穿戴電子設(shè)備等領(lǐng)域顯示出巨大的發(fā)展?jié)摿?

2.1 傷口敷料和藥物輸送

自愈合水凝膠作為一類含水量很高的新型功能高分子材料，因其良好的吸水溶脹性、生物相容性、獨(dú)特的自愈合性等優(yōu)點(diǎn)，是生物醫(yī)學(xué)理想的生物材料. 隨著自愈合水凝膠制備策略的不斷成熟，其應(yīng)用領(lǐng)域也逐步擴(kuò)大，特別是在傷口敷料、藥物輸送等方面的應(yīng)用研究取得了較大進(jìn)展.

Y.Zhu等[64]報(bào)道了一種基于多種次級(jí)鍵物理交聯(lián)(包括氫鍵、疏水力和靜電相互作用)的智能離子明膠/聚丙烯酰胺/納米黏土水凝膠(GPNs).該水凝膠由于含有帶負(fù)電荷的納米黏土，表現(xiàn)出較高的電導(dǎo)率(10.87 mS·cm-1)、自愈率(在60 min內(nèi)達(dá)到85%)和牢固的黏附力(最高達(dá)485 J·m-2)，且具有多種響應(yīng)性(如鹽離子、pH值、應(yīng)力響應(yīng)性)、可觀的壓力傳感線性響應(yīng)性(施加壓力高達(dá)2 kPa)及良好的生物相容性，為其在傷口敷料、藥物輸送領(lǐng)域的應(yīng)用奠定了基礎(chǔ). M.Wu等[65]基于醛基化的聚合物和胺修飾的SiO2納米顆粒之間的希夫堿反應(yīng)，設(shè)計(jì)了一種易于制備的可注射、快速自愈合和超敏感的pH響應(yīng)納米復(fù)合水凝膠. 該水凝膠還具有良好的生物相容性、生理?xiàng)l件下極好的穩(wěn)定性和弱酸誘導(dǎo)的急劇凝膠-溶膠轉(zhuǎn)變性，使其有望作為局部給藥的藥物載體用于癌癥治療、傷口愈合、感染治療等方面.

2.2 組織工程

水凝膠內(nèi)部含有大量的水分，通常具有較好的親水性和良好的黏彈性；其內(nèi)部獨(dú)特的三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)使其具有與細(xì)胞外基質(zhì)相似的結(jié)構(gòu)，不僅具有良好的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，還能夠從外部轉(zhuǎn)移營(yíng)養(yǎng)，是組織工程支架的理想材料. 近年來(lái)，基于自愈合性水凝膠的組織工程應(yīng)用報(bào)道日益增多.

X.Jing等[66]受貽貝黏性蛋白的啟發(fā)，開發(fā)了殼聚糖/氧化石墨烯/聚多巴胺復(fù)合水凝膠，并將其用于組織工程材料，發(fā)現(xiàn)該水凝膠表現(xiàn)出優(yōu)異的機(jī)械性能(50%壓縮應(yīng)變下，壓縮強(qiáng)度從4 kPa到12 kPa，壓縮恢復(fù)率為91%)、粘合性(粘合強(qiáng)度從0.15 MPa到0.95 MPa)、高穩(wěn)定性(G′約250 Pa)、可注射性和快速自愈合性. 此外，該水凝膠還顯示出對(duì)成纖細(xì)胞和心肌細(xì)胞的增殖作用(培養(yǎng)4 d后細(xì)胞存活率超過(guò)90%)，且觀察到了心肌細(xì)胞更快的自發(fā)搏動(dòng)行為.這些優(yōu)異的性能均表明該水凝膠在組織工程應(yīng)用中的巨大潛力. M.Vahedi等[67]開發(fā)了一類基于席夫堿鍵的由明膠和支鏈淀粉多醛形成的可注射自愈合水凝膠. 經(jīng)該水凝膠培養(yǎng)的人類骨髓源間充質(zhì)干細(xì)胞(hBMSCs)5 d后存活率為85%～90%，14 d后可為骨細(xì)胞分化提供骨誘導(dǎo)支持，表明該水凝膠在細(xì)胞治療、骨組織工程上具有很大的應(yīng)用潛力.

2.3 仿生電子皮膚

隨著人工智能領(lǐng)域的不斷創(chuàng)新和發(fā)展，電子皮膚作為一種新型的仿生材料受到廣大科研工作者的關(guān)注. 具有導(dǎo)電性能的自愈合水凝膠，因其柔軟的機(jī)械性能、優(yōu)異的自愈合性及外部刺激—電信號(hào)響應(yīng)性，可以很好地滿足電子皮膚應(yīng)用的需求，使其成為電子皮膚的最佳材料之一.

R.Y.Yang等[68]通過(guò)便捷的預(yù)還原和一鍋法制備了基于聚丙烯酸(PAA)和還原氧化石墨烯(rGO)的可伸縮、導(dǎo)電、自修復(fù)的PAA-rGO水凝膠. PAA與rGO之間構(gòu)建的共價(jià)(酯鍵)和非共價(jià)(氫鍵)的分子間網(wǎng)絡(luò)為PAA-rGO水凝膠提供了良好的機(jī)械、導(dǎo)電和自修復(fù)性能(室溫下30 s內(nèi)快速自愈，自愈率95%). 該水凝膠可直接連接到人體皮膚上作為應(yīng)變傳感器，監(jiān)測(cè)外部運(yùn)動(dòng)，包括手指彎曲和腕部扭曲；且經(jīng)自愈合的水凝膠仍能準(zhǔn)確、可靠地檢測(cè)外部應(yīng)變，并穩(wěn)定地顯示出與斷切之前相似的電流曲線. 這種愈合后仍能靈敏應(yīng)變響應(yīng)的特點(diǎn)表明該水凝膠在仿生電子皮膚中具有巨大的應(yīng)用潛力.Y.J.Liu等[69]通過(guò)Fe3+和纖維素納米晶體的動(dòng)態(tài)離子配位，形成CNCs-Fe3+自愈合水凝膠.該水凝膠具有較高的拉伸性(斷裂應(yīng)變達(dá)1160%)、韌性((4.7±0.08) kJ·m-2)、彈性可恢復(fù)性(200%應(yīng)變前的磁滯可忽略不計(jì))和自愈合性(5 min內(nèi)100%自愈)，且該水凝膠在作為應(yīng)變傳感器使用時(shí)，能夠準(zhǔn)確、可靠地監(jiān)測(cè)各種人類活動(dòng)(包括手指彎曲、脈搏和呼吸檢測(cè))，表明該凝膠在離子皮膚等方面具有應(yīng)用潛力.

2.4 可穿戴電子設(shè)備

自愈合水凝膠作為一種無(wú)刺激性、損傷后可自主修復(fù)的柔性聚合物材料，在柔性可穿戴電子設(shè)備領(lǐng)域的應(yīng)用潛力十分巨大. 隨著柔性可穿戴傳感器在健康監(jiān)測(cè)和人機(jī)接口界面中應(yīng)用要求的不斷提高，為構(gòu)建新型多功能自愈合水凝膠提供了新思路. 當(dāng)前，科研人員在自愈合水凝膠作為傳感器用于可穿戴電子設(shè)備監(jiān)測(cè)人體運(yùn)動(dòng)方面的研究已取得了很大的進(jìn)展.

J.F.Tie等[70]將Fe3+與聚乙烯醇乙酰乙酸酯(PVAA)/聚丙烯酰胺(PAM)共混制備了高度可拉伸/壓縮的Fe3+/PVAA-PAM雙網(wǎng)絡(luò)自愈合水凝膠. 離子配位與物理交聯(lián)的結(jié)合賦予了該水凝膠突出的可拉伸性(>700%)、高靈敏度、高愈合效率(24 h內(nèi)80%)和良好的抗疲勞性. 此外，F(xiàn)e3+的引入賦予了該水凝膠離子導(dǎo)電性，可用于可穿戴電子設(shè)備，在應(yīng)變傳感、壓力傳感、人體運(yùn)動(dòng)監(jiān)測(cè)等方面顯示出良好的應(yīng)用潛力.J.Mao等[71]通過(guò)一步原位聚合法制備了基于離子配位交聯(lián)與氫鍵相互作用的PAA-GO雙網(wǎng)絡(luò)自愈合性水凝膠. 該水凝膠表現(xiàn)出較高的自愈合效率(88.64%)，并具有應(yīng)變敏感性(在5%～50%的不同變形下表現(xiàn)出近似線性的響應(yīng)，應(yīng)變靈敏度為0.46)和可重復(fù)監(jiān)測(cè)性(如對(duì)手指、腕部和肘部彎曲的身體運(yùn)動(dòng)的監(jiān)測(cè)，在30%應(yīng)變下循環(huán)500次，水凝膠相對(duì)電阻變化保持穩(wěn)定).該水凝膠穩(wěn)定、快速的響應(yīng)行為和可重復(fù)監(jiān)測(cè)性促進(jìn)了其在可穿戴傳感設(shè)備中的應(yīng)用. L.L.Han等[72]受天然貽貝粘附機(jī)制的啟發(fā)，通過(guò)原位聚合開發(fā)了一種基于PS-PAM(韌性層)/PDA-PAA(黏性層)的雙層水凝膠. 該水凝膠具有優(yōu)異的電導(dǎo)率(0.03 S·cm-1)、韌性(0.18 MPa)、附著力、自愈合性及穩(wěn)定、靈敏的應(yīng)變響應(yīng)性. 作為應(yīng)變傳感器使用時(shí)，該水凝膠可直接粘附于人體皮膚監(jiān)測(cè)人體動(dòng)作與振動(dòng)(電阻隨肢體彎曲程度或振幅變化)，且可多次重復(fù). 此外，自愈合后的凝膠傳感能力與原始水凝膠幾乎相同.(PS-PAM)/(PDA-PAA)雙層水凝膠優(yōu)異的自愈合性、可粘附性、良好的信號(hào)檢測(cè)靈敏度、穩(wěn)定性和可重復(fù)性使其成為理想的柔性可穿戴應(yīng)變傳感器的候選材料，有望用于進(jìn)一步的商業(yè)開發(fā)應(yīng)用研究.

3 結(jié)語(yǔ)

本文以自愈合水凝膠的自愈合機(jī)理為出發(fā)點(diǎn)，分別對(duì)基于動(dòng)態(tài)共價(jià)鍵(席夫堿鍵、硼酸酯鍵、二硫鍵及DA反應(yīng))和非共價(jià)鍵相互作用(氫鍵、離子相互作用、疏水相互作用及主-客體相互作用)的自愈合水凝膠的設(shè)計(jì)策略及自愈合水凝膠在傷口敷料、藥物輸送、組織工程、仿生電子皮膚、可穿戴電子設(shè)備等方面的應(yīng)用進(jìn)行了綜述. 然而，目前對(duì)于自愈合水凝膠的認(rèn)識(shí)依舊不夠深入，單一的基于動(dòng)態(tài)共價(jià)鍵或動(dòng)態(tài)非共價(jià)鍵相互作用機(jī)制的自愈合水凝膠仍然存在力學(xué)性能弱、自愈條件苛刻、不能完全恢復(fù)等不足. 因此，如何在傳統(tǒng)水凝膠優(yōu)異性能的基礎(chǔ)上賦予其獨(dú)特的自愈合能力仍是未來(lái)需進(jìn)一步思考和探索的方向.

本文對(duì)動(dòng)態(tài)共價(jià)鍵和動(dòng)態(tài)非共價(jià)鍵相互作用自愈機(jī)制的梳理與總結(jié)，為有效設(shè)計(jì)多重自愈網(wǎng)絡(luò)機(jī)制的自愈合水凝膠，實(shí)現(xiàn)其優(yōu)異的力學(xué)性能與多功能性(光響應(yīng)、熱響應(yīng)等)相結(jié)合提供了理論參考；同時(shí)，也為進(jìn)一步推動(dòng)自愈合水凝膠作為智能軟材料、生物材料邁向更高階的應(yīng)用提供了研究思路和方向.