雙網(wǎng)絡(luò)水凝膠形成和自愈機制研究進展

糜志遠，陳曉雨，姚曉琳,*，徐凱，劉華兵，李娜，劉寧

（1.湖北工業(yè)大學(xué)生物工程與食品學(xué)院，湖北武漢 430068）

（2.陜西科技大學(xué)食品與生物工程學(xué)院，陜西西安 710021）

水凝膠是在水性微環(huán)境中由合成或天然聚合物鏈交聯(lián)形成具有高度靈活的三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的物質(zhì)，能夠通過吸收和保留水分子而溶脹，但自身卻不會被溶解且結(jié)構(gòu)組成也不會遭到破壞[1,2]，這使得水凝膠不僅柔軟且具有一定強度，可保持一定形狀。根據(jù)材料來源不同可將水凝膠分為天然和合成兩大類[3]：合成水凝膠基質(zhì)包括聚丙烯酸（PAA）、聚丙烯酸鹽、聚乙烯醇（PVA）、聚乙二醇（PEG）、聚丙烯酰胺（PAAm）及衍生物、聚氧化乙烯及衍生共聚物、聚磷腈等，合成水凝膠具有良好的穩(wěn)定性，但其生物降解性和生物相容性相對較差；天然水凝膠基質(zhì)包括絲素蛋白（SF）、大豆分離蛋白（SPI）、瓊脂糖（Aga）、甜菜果膠（SBP）、瓜爾膠（GG）、明膠和海藻酸鈉（SA）等，由天然生物聚合物（如蛋白質(zhì)和多糖）組裝而成的水凝膠通常無毒，生物相容且可生物降解，因此廣泛應(yīng)用于食品、農(nóng)業(yè)和生物醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域[4]，但大多數(shù)天然水凝膠機械性能較差，限制了其應(yīng)用范圍，為了改善天然水凝膠的機械性能，研究者們成功制備出了具有較高機械性能的水凝膠，如 DN 水凝膠[5]、互穿（IPN）水凝膠[6]、滑環(huán)水凝膠[7]及納米復(fù)合水凝膠[8]等。DN 水凝膠因其具有較高的機械強度、韌性和模量，這使得 DN水凝膠的研究更加廣泛[9]。目前關(guān)于DN水凝膠的綜述較少且研究范圍主要集中在其應(yīng)用現(xiàn)狀上，而本文從 DN水凝膠的交聯(lián)方式、形成機制、自愈合機制方面進行了深入補充，為智能型DN水凝膠設(shè)計提供了思路。

1 水凝膠的形成方式

水凝膠是通過聚合物鏈的物理或化學(xué)交聯(lián)構(gòu)建而成的三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)物質(zhì)[10]?；瘜W(xué)交聯(lián)的水凝膠由化學(xué)反應(yīng)生成的共價鍵形成網(wǎng)絡(luò)，包含動態(tài)共價鍵如席夫堿鍵[11]、酰腙鍵[12]、二硫鍵[13]、硼酸酯鍵[14]以及斷裂后無法重新形成的非動態(tài)共價鍵?；瘜W(xué)交聯(lián)一般會使用化學(xué)交聯(lián)劑如戊二醛等，因此化學(xué)交聯(lián)的凝膠通常具有較好的機械穩(wěn)定性，但質(zhì)地脆，且交聯(lián)劑的引入通常使得其生物相容性較差[15-17]；物理交聯(lián)的水凝膠可分為強物理交聯(lián)的水凝膠和弱物理交聯(lián)的水凝膠，強物理交聯(lián)的水凝膠（如含有雙螺旋和三重螺旋、層狀微晶等）聚合物鏈之間存在著強物理鍵，這使得它與一些化學(xué)交聯(lián)的水凝膠機械強度相當(dāng)。弱物理交聯(lián)的水凝膠是由鏈間暫時結(jié)合的可逆交聯(lián)形成的如氫鍵[18]、疏水相互作用[19]、離子結(jié)合[20]等，這些可逆的交聯(lián)可以不斷的破壞和重新形成，這使得弱物理交聯(lián)的水凝膠具有自愈性能，易于制備和塑型且無毒及生物可降解，但通常呈現(xiàn)假塑性變形，機械強度低[15-17]，限制了其應(yīng)用范圍，因此，提高弱物理交聯(lián)水凝膠的機械性能成為了研究熱點。迄今為止，已設(shè)計和制備多種具有優(yōu)異機械性能的水凝膠，如DN水凝膠[5]、IPN水凝膠[6]、滑環(huán)水凝膠[7]及納米復(fù)合水凝膠[8]等，上述凝膠有助于網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的建立，在外力消散方面更為有效。

2 DN水凝膠的形成機制和交聯(lián)方式

2.1 DN水凝膠的形成機制

2.2 DN水凝膠的交聯(lián)方式

2.2.1 化學(xué)交聯(lián)

化學(xué)交聯(lián)水凝膠是由化學(xué)反應(yīng)生成的共價鍵形成的網(wǎng)絡(luò)，包括動態(tài)共價鍵如席夫堿鍵、二硫鍵等以及斷裂后無法重新形成的非動態(tài)共價鍵。如Prutha等[22]對明膠和殼聚糖（CS）進行化學(xué)改性獲得甲基丙烯酸明膠和甲基丙烯酸殼聚糖后，在紫外光和Irgacure184光引發(fā)劑的作用下通過自由基聚合制備得到多糖基水凝膠，該化學(xué)交聯(lián)的水凝膠具有良好的生物相容性，可應(yīng)用于生物醫(yī)學(xué)。由動態(tài)共價鍵構(gòu)建而成的水凝膠一般具有自愈性能如富含醛基的聚合物和富含氨基的聚合物通過亞胺鍵結(jié)合制備的水凝膠在凝膠斷裂后，亞胺鍵會在一定條件下重新形成，因此水凝膠可以修復(fù)其斷裂面。而化學(xué)交聯(lián)的聚2-丙烯酰胺基-2-甲基丙烷磺酸 PAMPS/PAAm DN水凝膠由 Gong等[27,30]在2003年首次提出，并進一步研究發(fā)現(xiàn)PAMPS/PAAm DN水凝膠優(yōu)異的機械強度和韌性不能用經(jīng)典的Lake-Thomas理論來解釋。Yang等[31]提出了非均勻結(jié)構(gòu)模型，該模型由大“空隙”的PAMPS網(wǎng)絡(luò)和柔軟性 PAAm聚合物構(gòu)成。在非均勻結(jié)構(gòu)模型中，PAMPS/PAAm DN水凝膠中第一網(wǎng)絡(luò)存在著大“空隙”，而PAAm聚合物存在于“空隙”中因而在DN水凝膠中充當(dāng)“分子止裂劑”，阻止裂紋生長到宏觀水平，該模型表明“止裂”不是發(fā)生在聚合物網(wǎng)格尺寸水平，而是發(fā)生在更大的空間尺度（空隙尺度），可能是幾百納米。Tsukeshiba等[32]研究發(fā)現(xiàn)“空隙”和“纏結(jié)”可能在裂紋尖端起著兩個主要作用：第一是使曲率變大防止應(yīng)力集中，第二是能量耗散，或者是斷裂能的阻力；這兩種效應(yīng)都降低了裂紋擴展前緣周圍的應(yīng)力，防止裂紋擴散到宏觀水平，這也表明空隙起到了“止裂”作用。兩個化學(xué)不可逆交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)組成的DN水凝膠具有優(yōu)異的機械性能，但當(dāng)其受到外力時，由于化學(xué)連接網(wǎng)絡(luò)的不可逆斷裂，使凝膠內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)斷裂和不可逆變形，從而使凝膠網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)發(fā)生不可逆破壞，因此傳統(tǒng)化學(xué)交聯(lián)的DN水凝膠具有較差的恢復(fù)和抗疲勞性[33]。而化學(xué)或物理交聯(lián)的網(wǎng)絡(luò)及網(wǎng)絡(luò)間相互作用是調(diào)節(jié)DN水凝膠機械性能的主要因素[28]，為了解決上述問題，研究者們在DN水凝膠中引入了可逆的非共價鍵（物理交聯(lián)），而不是犧牲共價鍵。

2.2.2 物理/化學(xué)交聯(lián)

化學(xué)交聯(lián)水凝膠為化學(xué)反應(yīng)生成的不可逆共價鍵形成網(wǎng)絡(luò)，物理交聯(lián)水凝膠依靠其結(jié)構(gòu)單元間的非共價相互作用形成網(wǎng)絡(luò)，兩個網(wǎng)絡(luò)都是化學(xué)交聯(lián)的 DN水凝膠在第一次拉伸后，其網(wǎng)絡(luò)的破壞是不可逆的，且具有較差的抗疲勞特性，為進一步改善水凝膠的抗疲勞性以及機械性能，Sun等[34]將物理交聯(lián)引入了DN水凝膠結(jié)構(gòu)中，形成物理/化學(xué)交聯(lián)水凝膠。物理/化學(xué)雜化交聯(lián)的DN水凝膠已成為一種制備高強度水凝膠的有效方法，因此發(fā)展出許多物理化學(xué)雜化交聯(lián)的DN水凝膠，如Agar基DN水凝膠、細(xì)菌纖維素DN水凝膠、海藻酸鹽DN水凝膠[35]。大量研究發(fā)現(xiàn)，將可逆的非共價（即物理交聯(lián)）網(wǎng)絡(luò)引入到不可逆的共價網(wǎng)絡(luò)中不僅可以改善水凝膠的機械性能，還能夠賦予水凝膠恢復(fù)和自愈等性能。如Chen等[36]設(shè)計合成了物理化學(xué)雜化交聯(lián)的Agar/PAAm DN水凝膠，（DN水凝膠第一網(wǎng)絡(luò)為物理交聯(lián)的Agar網(wǎng)絡(luò)，第二網(wǎng)絡(luò)是化學(xué)交聯(lián)的PAAm網(wǎng)絡(luò)）并探討了物理交聯(lián)的Agar網(wǎng)絡(luò)對物理化學(xué)雜化交聯(lián)的Agar/PAAm DN水凝膠機械性能的影響，與大多化學(xué)交聯(lián)的DN水凝膠不同的是 Agar/PAAm DN水凝膠的彈性模量和斷裂能隨Agar濃度的增加而近似線性增加，當(dāng)Agar的濃度在臨界值以上時，物理交聯(lián)的瓊脂網(wǎng)絡(luò)可以同時增強Agar/PAAm DN水凝膠的韌性和強度，從而改善了水凝膠的機械性能。Liu等[37]采用一鍋法設(shè)計了物理/化學(xué)交聯(lián)的κ-卡拉膠κ-car/PAAm DN水凝膠，物理交聯(lián)的κ-car網(wǎng)絡(luò)是由冷卻過程中κ-car分子鏈從線圈向螺旋轉(zhuǎn)變，然后由雙螺旋聚集而成，化學(xué)交聯(lián)的PAAm第二網(wǎng)絡(luò)是在紫外線引發(fā)劑作用下形成的。DN水凝膠具有較高的彈性模量（280 kPa）和斷裂能（6150 J/m2）。Wang等[38]制備了物理化學(xué)交聯(lián)的SF基DN水凝膠，不僅具有較好的力學(xué)性能（應(yīng)力和斷裂伸長率分別為0.65 MPa和2250%），而且表現(xiàn)出自愈性能等。雖然物理化學(xué)雜化交聯(lián)的傳統(tǒng)DN水凝膠可顯著提高機械性能和自愈性，但其仍存在兩個主要缺點：1)不可逆共價交聯(lián)形成的第二網(wǎng)絡(luò)在第一網(wǎng)絡(luò)損壞后無法承受高負(fù)荷，這通常會進一步導(dǎo)致DN水凝膠破裂；2)有毒化學(xué)交聯(lián)劑的使用會使DN水凝膠的生物相容性較差[35]。

2.2.3 雙重物理交聯(lián)

傳統(tǒng) DN水凝膠通常包含一到兩個不可逆的共價交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)，這使得 DN水凝膠具有較差的恢復(fù)性和抗疲勞性[39]。盡管化學(xué)交聯(lián)或物理化學(xué)雜化交聯(lián)的傳統(tǒng)DN水凝膠具有較好的機械性能，但由于化學(xué)交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)的不可逆斷裂，使其依然無法滿足高應(yīng)力下的應(yīng)用需求，并且化學(xué)交聯(lián)劑常存在毒性，因此使得水凝膠的自愈性及生物相容性變差。而雙重物理交聯(lián)的雙網(wǎng)絡(luò)（DPC-DN）水凝膠具有比物理化學(xué)雜化交聯(lián)的DN水凝膠更好的自愈和自恢復(fù)能力[40]。如Li等[41]制備了物理化學(xué)雜化交聯(lián)的PVA/PEG DN水凝膠，其在室溫下愈合1 h和48 h的效率分別為21%和68%，而其緩慢的自愈過程可能是由于化學(xué)交聯(lián)PEG的存在，這減少了切口界面上的氫鍵和物理鏈接的數(shù)量，還增加了不可逆共價鍵的斷裂。而雙重物理交聯(lián)制備的Agar/PVA DN水凝膠具有快速的自愈和高強度恢復(fù)的能力，室溫下愈合10 min后其可拉伸至其原始長度的2.5倍左右，該水凝膠同時還具有優(yōu)越的機械性能（機械強度高達1445 kPa，韌性為2111 kJ/m3），拉伸效果和一些傳統(tǒng)的化學(xué)交聯(lián) DN凝膠相當(dāng)、甚至比一些物理化學(xué)雜化交聯(lián)DN凝膠更好[42]。Deng等[35]通過雙重物理交聯(lián)制備了κ-car/PAAm DPC-DN水凝膠，當(dāng)κ-car的濃度最佳時κ-car/PAAm DPC-DN水凝膠的斷裂拉伸應(yīng)力為1320±46 kPa，斷裂能為 6900±280 kJ/m3，與一些完全化學(xué)交聯(lián)及化學(xué)物理交聯(lián)的 DN水凝膠相當(dāng)。由于κ-car/PAAm水凝膠具有獨特的雙重物理交聯(lián)結(jié)構(gòu)，從而表現(xiàn)出快速自恢復(fù)和自愈性能，并且與干細(xì)胞呈現(xiàn)出優(yōu)越的細(xì)胞相容性。Li等[43]采用離子交聯(lián)方法，以SA和κ-car為原料，氯化鈣為交聯(lián)劑制備了SA/κ-car/Ca2+DN凝膠球，該凝膠球不僅具有低溶脹性能、較好的機械性能（應(yīng)力為1.07 MPa，應(yīng)變?yōu)?0%，彈性模量為1.3 MPa），還具有優(yōu)異的吸附性能。Zhang等[44]制備了雙重物理交聯(lián)的 PAAm/SA-Ca2+DPC-DN水凝膠，其斷裂應(yīng)力為1.16 MPa，斷裂應(yīng)變?yōu)?604%，彈性模量為71.79 kPa，韌性為14.20 MJ/m3。動態(tài)可逆的物理網(wǎng)絡(luò)使DPC-DN水凝膠具有自愈、抗疲勞等特性，與一些物理化學(xué)雜化交聯(lián)的 DN水凝膠相比，其自愈和自我恢復(fù)能力明顯改善。

雙重物理可逆交聯(lián)不需額外的交聯(lián)劑，且其對增強DN水凝膠的韌性有很大幫助，離子交聯(lián)是制備堅韌雙重物理交聯(lián)水凝膠的常用方法之一。通常是加入多價陽離子形成離子交聯(lián)來提高機械性能，天然多糖及其衍生物如 CS、果膠、羧甲基纖維素（CMC）等由于其獨特的化學(xué)結(jié)構(gòu)和生物學(xué)特性，已成為通過金屬配位作用制備水凝膠的常用材料。如Wu等[28]在水凝膠中引入了離子交聯(lián)成功制備出雙重物理交聯(lián)的果膠基DN水凝膠，該水凝膠具有優(yōu)異且可調(diào)節(jié)的機械性能（拉伸強度：0.97～1.61 MPa，彈性模量：0.30～2.20 MPa）。Kang等[16]以CS分子鏈作為模板，通過一鍋法合成CS-PAA-Fe3+DN水凝膠?；谖锢斫宦?lián)的水凝膠由于聚合物鏈間缺乏強相互作用，機械性能弱[45-47]，因此除氫鍵之外，還使用Fe3+進行離子交聯(lián)來提高機械性能。CS-PAA-Fe3+DN水凝膠的壓縮應(yīng)變隨Fe3+濃度的增加而增加。當(dāng)水凝膠未添加 Fe3+時，其壓縮應(yīng)力和應(yīng)變分別為13.5 MPa和89%；當(dāng)加入0.01 mol/L Fe3+時，應(yīng)力增加到21 MPa；當(dāng)Fe3+濃度增至0.05 mol/L時，應(yīng)力又減少至4.5 MPa。這主要是由于Fe3+濃度較低（0.01 mol/L）時，F(xiàn)e3+主要與-COOH發(fā)生配位結(jié)合。當(dāng)進一步增加Fe3+時，其與CS分子鏈上-NH2的配位作用增強，而其鍵合比與-COOH形成的配位鍵弱，從而導(dǎo)致抗壓縮能力下降。當(dāng)Fe3+濃度從0.01 mol/L增加至0.05 mol/L時，水凝膠的壓縮應(yīng)變從89%增加到98.5%，故Fe3+可增加CS-PAA-Fe3+DN水凝膠的抗壓性能。Tang等[10]通過半溶-酸化溶膠-凝膠轉(zhuǎn)換和內(nèi)部凝膠法成功制備了 CS/SA/Ca2+雙重物理交聯(lián)DN水凝膠（PCDNH），該水凝膠是由CS-SA網(wǎng)絡(luò)中的靜電作用和 SA-Ca2+網(wǎng)絡(luò)中的螯合作用形成。CS的陽離子-NH3+通過靜電作用與SA的陰離子-COO-相互作用，形成CS/SA網(wǎng)絡(luò)，Ca2+與SA鏈的古洛糖醛酸片段螯合，形成 SA/Ca2+網(wǎng)絡(luò)。機械性能在水凝膠的實際應(yīng)用中起著至關(guān)重要的作用，CS與SA的不同質(zhì)量比及Ca2+對PCDNH凝膠機械性能有顯著影響，結(jié)果表明抗拉強度隨著SA含量的增加而增加；隨著CaCO3含量增加，PCDNH的抗拉強度也隨之增加，比不含Ca2+的對照樣品高出10倍左右，這表明較高的Ca2+含量可改善SA/Ca2+網(wǎng)絡(luò)的交聯(lián)度，使水凝膠具有更好的機械性能。PCDNH水凝膠與靜電作用交聯(lián)的單網(wǎng)絡(luò)物理水凝膠相比，表現(xiàn)出更好的機械性能，克服了物理水凝膠機械性能弱的缺陷。CS/SA/Ca2+PCDNH水凝膠的形成示意圖如圖1所示。

Liu等[4]通過使用麩質(zhì)、原花青素（PACs）和Fe3+間的的物理相互作用制備了DN面筋水凝膠，第一網(wǎng)絡(luò)由面筋蛋白分子組成，而第二網(wǎng)絡(luò)由 Fe3+與 PACs交聯(lián)組成。PACs上的酚羥基和疏水區(qū)域通過氫鍵、疏水相互作用可分別與面筋蛋白上的羰基和疏水區(qū)域反應(yīng)。此外，F(xiàn)e3+與PACs交聯(lián)，以及PACs中鄰苯二酚配體通過氫鍵和疏水作用與面筋蛋白形成雙網(wǎng)絡(luò)。Fe3+和 PACs的相互作用可有效改善面筋凝膠的機械性能，從而獲得具有高強度高韌性的DN凝膠，其剪切模量比單一面筋蛋白水凝膠高3倍。其形成示意圖如圖2所示。

許鈞稱他在法國留學(xué)生涯中被法國語言文學(xué)的美深深吸引，這讓他看到了文學(xué)翻譯存在的意義，他希望和更多的中國讀者一起分享這種美的享受。他認(rèn)為“文學(xué)翻譯有其特殊性。文學(xué)，是文字的藝術(shù)，文化的一個組成部分，而文字中，又有文化的沉淀。文學(xué)翻譯既是不同語言的轉(zhuǎn)換活動，也是一種藝術(shù)再創(chuàng)造活動，同時也是一項跨文化的交流活動。”[9]

3 自愈型DN水凝膠的自愈機制

自愈性能是一些材料所具有的本質(zhì)屬性，當(dāng)這些材料被損壞后可以通過恢復(fù)斷裂的鍵或相互作用對損壞的部分進行自我愈合，自愈水凝膠是新興智能材料，其可以延長水凝膠的使用壽命，因此自愈型水凝膠在功能性自愈材料的設(shè)計和合成方面具有廣闊的應(yīng)用前景[48]。根據(jù)是否添加自愈劑，將自愈合材料分為外援型和本征型兩大類[48]。外援型自愈合材料主要包括空心纖維型和微囊型負(fù)載自愈劑的材料，如Rao等[3]采用一鍋法制備了具有星狀介孔二氧化硅（STMS）納米顆粒的聚多巴胺（PDA）型微囊的DN自愈SA/GG水凝膠。STMS用于負(fù)載戊二醛（GA），并用PDA封裝以控制GA作為交聯(lián)劑的釋放，將微囊（STMS-GA@ PDA）、Fe3+、GG、SA加到去離子水中，制備GG/SA的雙重自愈水凝膠，通過結(jié)合使用自愈劑 GA以及SA、PDA 和 Fe3+間的金屬配位作用，水凝膠的機械強度和自愈性能都顯著提高，拉伸強度和愈合效率分別可達到約7.0 MPa和94.5%；當(dāng)水凝膠略微受損時，自愈過程主要取決于Fe3+可分別與SA中G單元上的5-羧基和2-羥基、微囊表面PDA的羥基配位結(jié)合。當(dāng)水凝膠嚴(yán)重受損時，微囊釋放GA交聯(lián)GG和SA形成雙網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)聚合物填充受損部位，同時Fe3+可與SA中G單元上的5-羧基和2-羥基配位，從而實現(xiàn)雙重自愈過程。基于內(nèi)部鍵的自發(fā)重組，有些材料不需任何刺激即可實現(xiàn)自我修復(fù)，而有些材料則需外部因素刺激（如pH值、光照、溫度等）才能完成自我修復(fù)[49-51]。本征型自愈材料可利用分子網(wǎng)絡(luò)中的可逆和動態(tài)物理化學(xué)作用來實現(xiàn)裂紋的自愈過程，這些相互作用包括氫鍵、疏水締合、π-π堆積、亞胺鍵、二硫鍵等。如Lin等[52]采用羥丙基淀粉（HPS）和SA制備了HPS/SA DN自愈水凝膠，當(dāng)把兩塊HPS/SA0.5DN水凝膠接觸10 min后，會重新形成完整的水凝膠，這主要是由于水凝膠網(wǎng)絡(luò)中SA的羧基之間、HPS的羥基之間、SA和HPS的羧基之間以及HPS的羥基和醚基之間存在可逆的氫鍵相互作用。DN水凝膠所具有的優(yōu)異機械性能擴大了水凝膠的應(yīng)用范圍，其自愈性能更是延長了水凝膠的使用壽命，相對于外援型自愈合材料構(gòu)成的水凝膠來說本征型自愈水凝膠無需自愈劑的添加，這使得其具有良好的生物相容性。本文主要對本征型自愈材料構(gòu)建而成的 DN水凝膠的自愈機理進行研究，為自愈水凝膠的制備提供理論指導(dǎo)。

交聯(lián)方式不同的水凝膠具有不同性能，如動態(tài)共價交聯(lián)以及非共價交聯(lián)的水凝膠通常具有自愈性能。自愈水凝膠一般是由動態(tài)特性的交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建而成的，因此設(shè)計動態(tài)可逆的交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)是制備自愈合水凝膠的關(guān)鍵，可逆交聯(lián)一般分為可逆共價作用（如亞胺鍵）和可逆非共價鍵作用（如氫鍵），當(dāng)自愈水凝膠受到外界破壞，造成的損傷可進行自我修復(fù)和自我調(diào)節(jié)以適應(yīng)環(huán)境變化。因此，通過動態(tài)共價或非共價作用設(shè)計具有自愈性能的DN水凝膠，并對其自愈機制進行了研究。圖3為DN水凝膠自愈機制示意圖。

3.1 動態(tài)共價相互作用

動態(tài)共價鍵主要包括亞胺鍵、酰腙鍵和硼酸酯鍵等[53]，由于動態(tài)共價鍵獨特的性質(zhì)，通過動態(tài)共價鍵交聯(lián)形成的水凝膠有些不僅具有自愈性能，還具有溫度敏感性、pH敏感性等特性。動態(tài)共價鍵（如亞胺鍵）不需要物理刺激即可重新連接，這使得它與普通共價鍵不同[11]。近年來，通過動態(tài)共價交聯(lián)制備了多種自愈水凝膠，使用最廣泛的是亞胺鍵。下面將對動態(tài)化學(xué)鍵研究進行歸納，并總結(jié)DN水凝膠的自愈機理。

3.1.1 硼酸酯鍵

硼酸酯鍵是制備自愈水凝膠的動態(tài)共價鍵之一，一般是由 1,3-或 1,2-二醇化合物和硼砂（硼酸）在水溶液中絡(luò)合形成可逆共價鍵，基于硼酸酯鍵制備的水凝膠在室溫下可快速多次修復(fù)[14]。由于硼酸酯鍵對pH敏感，因此基于硼酸酯鍵制備的水凝膠，不僅具有自愈性能，還對pH呈現(xiàn)高度敏感。Lv等[54]基于刺槐豆膠（LBG）網(wǎng)絡(luò)中對pH敏感的硼酸酯鍵和吉蘭糖膠（Gg）中與氫鍵相關(guān)的雙螺旋，制備了LBG/Gg DN水凝膠并探討了LBG/Gg DN水凝膠的自愈機制。當(dāng)把LBG/Gg DN水凝膠切成兩半時，LBG網(wǎng)絡(luò)中交聯(lián)的硼酸酯及網(wǎng)絡(luò)中的Gg雙螺旋都被破壞，當(dāng)溫度加熱至80 ℃時（高于Gg熔點），Gg雙螺旋解離成單線圈，加快了 LBG鏈與斷裂表面硼酸根離子間的結(jié)合速度。隨著溫度降低，單個線圈通過線圈-螺旋過渡轉(zhuǎn)變?yōu)殡p螺旋，然后進一步組裝為雙螺旋聚集體。因此，LBG鏈之間可逆的硼酸酯交聯(lián)和Gg分子間雙螺旋的形成使得LBG/Gg DN水凝膠具有優(yōu)異的自愈性能。LBG/Gg DN水凝膠的自愈機制圖如圖4所示。

3.1.2 亞胺鍵

亞胺鍵是由活性羰基與伯胺縮合而成，發(fā)生在中性和酸性條件下，是一種很強的化學(xué)鍵[55,56]。通常將富含醛基的聚合物（如氧化的藻酸鹽和透明質(zhì)酸）和富含氨基的聚合物（如CS）結(jié)合來制備自愈水凝膠。席夫堿反應(yīng)被證明是一種無細(xì)胞毒性的交聯(lián)過程，其自愈過程是自發(fā)的，無需外部刺激[11]。Xu等[57]以香蘭素為交聯(lián)劑制備了CS自愈水凝膠，其可逆網(wǎng)絡(luò)是由香蘭素的醛基與一個CS分子的氨基反應(yīng)生成亞胺鍵，以及香蘭素的羥基與另一個CS分子的羥基或氨基形成氫鍵構(gòu)建而成的。CS水凝膠的自愈性能主要與亞胺鍵有關(guān)，而氫鍵在室溫下的主要作用是增強和穩(wěn)定CS水凝膠的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。Cho等[58]根據(jù)水凝膠結(jié)構(gòu)中的動態(tài)共價鍵（亞胺鍵）和氫鍵作用設(shè)計了由乙二醇?xì)ぞ厶牵℅C）、氧化羧甲基纖維素（OCMC）和Agar組成的高強度自愈Agar-OCMC/GCDN水凝膠，其中Agar作為第一網(wǎng)絡(luò)，GC和OCMC作為第二網(wǎng)絡(luò)，其形成示意圖如圖5所示。Agar-OCMC/GC DN水凝膠的自愈效率為 74%，席夫堿形成的動態(tài)交聯(lián)對Agar-OCMC/GCDN水凝膠的自愈性能起著至關(guān)重要的作用。Lei等[13]制備SA-CHO/Aga DN水凝膠，當(dāng)把Aga凝膠切開其無法愈合，因此Aga網(wǎng)絡(luò)不參與DN凝膠的愈合過程，其愈合過程主要是由于凝膠中動態(tài)的酰腙鍵，而Aga鏈則保持緊密的鏈纏結(jié)，進一步說明動態(tài)共價鍵在自愈水凝膠中起著重要作用。

3.2 非共價作用

非共價交聯(lián)制備的自愈水凝膠，其作用力通常包括氫鍵、離子鍵、疏水相互作用等[11,59]。盡管非共價相互作用可制備出快速愈合且自愈效率較高的水凝膠，但通常其機械性能較低，因此基于DN水凝膠獨特的結(jié)構(gòu)，制備出機械強度較高且具有自愈性能的DN水凝膠。非共價相互作用的DN自愈水凝膠包括如氫鍵、離子作用，雙離子交聯(lián)，氫鍵和結(jié)晶區(qū)的物理交聯(lián)，氫鍵和疏水相互作用等。下面以離子鍵和氫鍵作用為例來闡述DN水凝膠的自愈機理。

3.2.1 離子鍵

離子鍵形成的自愈水凝膠是基于可逆的靜電相互作用，這種相互作用可發(fā)生在帶相反電荷的聚合物之間，或通過帶相反電荷的離子介導(dǎo)帶同種電荷聚合物間的離子橋發(fā)生。最常見的是帶負(fù)電荷的藻酸鹽通過鈣離子交聯(lián)成藻酸鹽水凝膠[33,60]。Getachew等[61]研究發(fā)現(xiàn)陽離子（Ca2+、Na+）的存在顯著改善了 PAMPS孔填充膜的穩(wěn)定性和自愈性能，Yuan等[62]研究表明可逆的高密度動態(tài)離子相互作用使 PAA/2-羥丙基三甲基氯化銨殼聚糖（HACC）水凝膠具有良好的自愈性能，動態(tài)可逆的離子鍵在斷裂后可以重新形成，這使得PAMPS孔填充膜和PAA/HACC水凝膠具有自愈性能。Xu等[63]采用一鍋法制備了雙離子交聯(lián)的HACC/PAA-Fe3+水凝膠，在雙離子交聯(lián)的水凝膠中，帶正電的HACC和Fe3+分別充當(dāng)大分子和小分子交聯(lián)劑，與PAA的羧基形成離子鍵，水凝膠中的可逆離子鍵使得水凝膠具有優(yōu)異的自愈性能（70 ℃下48 h自愈效率約為 74%），表明 Fe3+的引入提高了水凝膠的自愈效率。Kang等[16]以 CS分子鏈為模板制備CS-PAA-Fe3+DN自愈水凝膠。12 h后CS-PAA-Fe3+DN水凝膠的自愈效率可達93.8%，CS-PAA-Fe3+DN水凝膠網(wǎng)絡(luò)由離子鍵和氫鍵兩種類型組成，PAA主鏈中的大量羧基可形成大量分子內(nèi)氫鍵，并與酸性溶液中具有-NH3+的CS分子鏈形成分子間氫鍵，分子內(nèi)或分子間氫鍵形成了聚合物鏈網(wǎng)絡(luò)，F(xiàn)e3+與 PAA中的-COOH、CS中的-NH2間發(fā)生離子交聯(lián)形成聚合物鏈的離子網(wǎng)絡(luò)。CS-PAA-Fe3+DN水凝膠中氫鍵和離子作用在自愈中起關(guān)鍵作用，PAA和Fe3+、CS和Fe3+之間的相互作用及PAA和CS跨界面的相互作用修復(fù)了水凝膠。CS-PAA-Fe3+DN水凝膠的形成示意圖如圖6所示。

3.2.2 氫鍵

氫鍵是自然界中最常見的非共價相互作用，如氫鍵將DNA的互補鏈穩(wěn)定的保持在其獨特的螺旋結(jié)構(gòu)中，在折疊蛋白的二級和三級結(jié)構(gòu)中起著決定性作用。氫鍵是由帶正電的氫原子與電負(fù)性受體原子（如氧、氮或氟）靜電相連產(chǎn)生的。氫鍵的強度主要取決于受體原子的電負(fù)性，如兩個羥基（OH···OH）之間，羧基和酰胺基（NH···O=C）之間以及氫與氟（H···F）之間形成的氫鍵，其鍵合強度變化較大，從0.25到15 kcal/mol，由氟形成的氫鍵最弱，帶有羥基或酰胺基的氫鍵最強[64]。即使氫鍵的強度比離子鍵（100～1000 kcal/mol）和共價鍵（35～240 kcal/mol）弱很多，其對水凝膠的機械性能仍起著重要作用。氫鍵締合和解離發(fā)生很快，通常在亞皮至皮秒之間[65]，這個特性使自愈水凝膠在遭受破壞時能快速自愈，因此利用氫鍵作用可制備各種各樣的自愈水凝膠。Zheng等[66]在室溫下通過簡單的兩步法制備了具有自愈性能的羧甲基纖維素（CMC）水凝膠。第一步將干燥的Na-CMC粉末加入20% CMC水溶液中攪拌，第二步將CMC糊狀物在預(yù)定時間內(nèi)加入檸檬酸溶液中。通過控制酸化時間來調(diào)節(jié)氫鍵數(shù)量，進一步影響CMC水凝膠的自愈性能。室溫下愈合12 h后，CMC水凝膠的自愈效率為81.6%。但由于氫鍵較弱，應(yīng)與更強的鍵結(jié)合，制備出具有高機械強度和快速自愈的水凝膠。Wang等[67]制備了纖維素基DN水凝膠，由于PVA分子間存在氫鍵，以及Fe3+和羧基間存在的離子鍵使得DN水凝膠具有優(yōu)異的自愈性能（16 h時自愈效率可達93.45%）。將水凝膠切成兩部分，季銨化纖維素分子的 NH3+和PVA 分子的-COO-產(chǎn)生靜電相互作用，加之-COO-和Fe3+間的靜電作用，使得被切開的兩部分凝膠發(fā)生結(jié)合，而 PVA中的氫鍵可維持和改善水凝膠的自愈能力。纖維素基DN水凝膠的自愈機理如圖7所示。

表1 DN水凝膠的特性及應(yīng)用范圍Table 1 Characteristics and application range of DN hydrogel

續(xù)表1

4 DN水凝膠的應(yīng)用

DN水凝膠由于其較高的機械強度和韌性在在食品、農(nóng)業(yè)、生物醫(yī)藥、組織工程等方面都有較好的應(yīng)用前景。如在酪蛋白形成的單網(wǎng)絡(luò)凝膠中加入Agar，形成酪蛋白-Agar DN凝膠，解決了酸奶中的乳清分離現(xiàn)象，獲得了具有理想質(zhì)地的酸奶[23]。Sar?yer等[68]合成了pH響應(yīng)海藻酸鹽/κ-car DN凝膠珠，并將牛血清白蛋白（BSA）封裝在凝膠珠中，當(dāng)pH值低于BSA等電點時凝膠珠可獲得最高的包封率（83%～89%），在模擬胃液中BSA釋放率低于10%，模擬腸液的BSA釋放率為67%～72%，實現(xiàn)了蛋白質(zhì)藥物的腸道靶向遞送。Yan等[69]在室溫下合成了玉米纖維膠(CFG)-SPIDN水凝膠，該水凝膠可用作熱敏性活性化合物的口服載體。Yu等[70]設(shè)計并合成了κ-car/SA DN水凝膠，其具有較低的溶脹率，較好的機械性能和對環(huán)丙沙星優(yōu)異的吸附特性，探索出了一種解決水環(huán)境中抗生素污染問題的有效方法。采用硫代殼聚糖（CS-NAC）和SF各自凝膠化成功構(gòu)建了CS-NAC/SF DN水凝膠，其彈性模量可達3 kPa以上，與單網(wǎng)絡(luò)CS-NAC或SF凝膠相比，其機械性能顯著提高，細(xì)胞實驗發(fā)現(xiàn)CS-NAC/SFDN凝膠在維持其表型的同時可有效支持軟骨細(xì)胞的生長，表明DN水凝膠在軟骨修復(fù)中具有廣闊的前景[71]，表1簡單概括了DN水凝膠在重金屬吸附、傷口敷料、醫(yī)學(xué)、組織工程等方面的應(yīng)用。

5 結(jié)語

水凝膠在日常生活中發(fā)揮著越來越重要的作用，如面膜、果凍、眼療貼、人造肌肉、創(chuàng)傷敷料、高吸水性樹脂等均為水凝膠材料。單網(wǎng)絡(luò)水凝膠由于具有較差的力學(xué)性能且結(jié)構(gòu)容易破壞從而限制了其潛在應(yīng)用，而DN水凝膠不僅解決了單網(wǎng)絡(luò)水凝膠脆弱易碎的特性，還呈現(xiàn)出良好的機械性能，且部分DN水凝膠還具有自愈性能，這在一定程度上延長了水凝膠的使用壽命，節(jié)省了成本。與傳統(tǒng)水凝膠不同的是自愈水凝膠在受損后具有自動自我修復(fù)的能力，但是單網(wǎng)絡(luò)自愈水凝膠仍然存在著機械強度低、愈合效率低等缺點，而DN水凝膠不僅具有優(yōu)異的機械強度，還具有比單網(wǎng)絡(luò)自愈水凝膠更高的自愈效率，這擴大了水凝膠的應(yīng)用范圍。目前制備自愈水凝膠的現(xiàn)有方法主要是通過動態(tài)共價鍵或非共價鍵設(shè)計形成三維空間網(wǎng)絡(luò)所必需的官能團結(jié)構(gòu)，但該過程具有一定的缺點，如嚴(yán)格的反應(yīng)條件，有毒化學(xué)交聯(lián)劑的使用，及多步合成步驟等，制備條件復(fù)雜阻礙了自愈水凝膠的大規(guī)模生產(chǎn)和其經(jīng)濟實用性，從而進一步限制了其廣泛應(yīng)用。因此，采用簡單的制備方法，利用綠色廉價的天然資源，制備出自愈效率高的水凝膠仍然具有很大的挑戰(zhàn)。