智能复合水凝胶材料研究进展

摘要：综述了近年来以无机增韧相（石墨烯、金、粘土和二氧化硅）和生物质增强相（纤维素和木质素）为基的智能水凝胶复合材料的研究进展；概括了其在增韧增强的同时带来的新功能，并对智能水凝胶复合材料的应用前景进行了展望。

关键词：智能复合水凝胶材料；无机物；生物质；应用

智能水凝胶是能够对外界环境（如温度、pH、电场、光、磁场、特定生物分子等）微小的变化或刺激有显著响应的三维网络结构的亲水性聚合物。基于水凝胶的三维网络结构和环境敏感性，智能水凝胶广泛应用于记忆材料[1]、药物缓释[2～4]、敷料、组织工程[5]、智能纺丝、化学机械器件、物质分离、酶的固载等领域。由于水凝胶网络中缺少有效的能量耗散机制，积累的能量接近裂纹尖端不能在凝胶中消散，导致水凝胶存在易断裂、力学强度低、韧性差等缺点[6]，从而限制了其在实际生活中的应用。为此，可以通过加入类似于陶瓷基复合相的增韧相或者生物质基增强相来吸收裂纹扩展释放的能量，从而达到增强水凝胶机械强度的目的。本文综述了利用无机物增韧相，生物质基增强相等复合材料改进智能水凝胶性能，实现增韧、增强作用，同时引进新的基团赋予其新功能，展望了智能复合水凝胶材料的应用前景。

1 智能复合水凝胶种类

1.1 无机物复合相

陶瓷基复合材料的增韧相是无机物复合相使用最为广泛的材料之一，如粘土、二氧化硅、石墨烯类、纳米金属等。无机增强相分散在连续相中，达到增强水凝胶的作用。

1.1.1 石墨烯类

石墨烯是目前自然界最薄、最强韧的材料，断裂强度比钢材的还要高200倍，它具有非常好的导热性、电导性、透光性和超大比表面积等特性，同时具有较好的弹性[7]。其独特的结构及性能可显著提高复合材料的机械性能与热稳定性。氧化石墨烯（GO）是石墨烯的一种重要衍生物，其表面有大量的羟基、环氧基及羧基，在水溶液和极性溶剂中有良好的分散性，可与亲水性聚合物形成纳米复合水凝胶材料。GO的亲水性基团增强了GO与基体材料间的界面相互作用，具有良好的相容性，能显著改善材料的力学性能。Shi等[8]将少量化学交联的小分子和物理交联的氧化石墨烯纳米粒子混合制备了新型近红外（NIR）光响应性的聚（N-异丙基丙烯酰胺）/氧化石墨烯（PNIPAM-GO）高拉伸性能的纳米复合水凝胶。

1.1.2 金

金纳米棒（AuNRs）具有各向异性的光电性能及突出的光热效应，能吸收近红外光产生“热量”，导致周围环境温度升高。Dong等[9]将丁烯酸改性的金纳米棒作为种子，利用种子沉淀聚合法制备以金纳米棒为核，交联的聚N-异丙基丙烯酰胺为壳的核-壳结构的复合微凝胶，该凝胶具有良好的机械强度和单分散性热响应。通过透射电镜、原子力显微镜和动态光散射仪分别表征了其核-壳结构与热响应性。其紫外-可见-近红外吸收光谱测试表明该微凝胶具有较好的温度可调性。Manikas等人[10]将PNIPAM与单链DNA这一温敏性水凝胶作为模板，在双贵金属金/银表面制备等离子体表面。由于金和银纳米粒子可通过静电相互作用与水凝胶模板进行吸附，操作简单且准确性高，该水凝胶不仅具有温敏性，还具有等离子体性质，同时力学性能有所增加。

1.1.3 粘土

粘土是一种用得较多的复合材料增韧相，粘土/聚合物是非常典型的纳米复合水凝胶。Chen等人[11]用N-异丙基丙烯酰胺与粘土合成聚N-异丙基丙烯酰胺-粘土纳米复合材料水凝胶。由于不同粘土片层厚度的水凝胶溶胀性能不同，在不同温度下弯曲程度与速度也不一样，或舒展或卷曲，使得水凝胶具有良好的弯曲性能和优异的弹性响应，可用作包装、夹取等材料。还可以将氧化石墨烯和粘土混合使用制备智能水凝胶复合材料。Chao等人[12]通过原位自由基聚合和氧化石墨烯的化学还原制备非导电石墨烯-PNIPAM-粘土水凝胶。结果表明，该水凝胶是由致密层和疏松多孔层交替堆积而成的多层分层的异质结构体系。在拉伸测试中，刚性密叠层作为牺牲层，在较低的应力下断裂，而作为耗能层的可伸展疏松层伸展，使得该水凝胶力学性能得到整体优化。

1.1.4 二氧化硅

二氧化硅作为复合相应用最广的是二氧化硅的纳米粒子。纳米二氧化硅呈絮状或网状结构，具有纳米粒子特有的小尺寸效应与表面效应。二氧化硅以纳米尺寸均匀分布在有机物网状结构中，由于其较高的表面能与表面结合能，极易与基体材料在分子水平上结合，起到明显的增强效果，对于水凝胶还能起到增韧作用[13]。Zaragoza等人[14]研究含二氧化硅纳米粒子的聚丙烯酰胺水凝胶的弹性性能与热性能，观察到二氧化硅纳米粒子的浓度和大小影响水凝胶性能，其弹性模量和热扩散率具有类似的增强趋势。同时也观察到复合水凝胶材料相对于纯的水凝胶具有较低的溶胀性，这是因为纳米粒子在聚合物网络中为伪交联。通过利用纳米粒子增加水凝胶的平均交联密度，使复合材料具有更好的机械性能和热性能。Dogru等[15]先用3-（甲基丙烯酰氧）丙基三甲氧基硅烷对纳米二氧化硅改性，提高其与聚合物结构的相互作用，然后通过自由基聚合合成聚N-异丙基丙烯酰胺为基质、纳米二氧化硅改性的冷冻凝胶。动态光散射技术证明纳米二氧化硅粒径分布均匀，经热力学与力学测试发现，加入改性纳米二氧化硅提高了凝胶的热力学与机械性能。

1.2 生物质复合相

很多生物体软组织可以看作是内部包含着细胞和纤维增强相的水凝胶基质。研究表明，在水凝胶中添加纤维是提高水凝胶强度和韧性的一条有效途径，但是纤维较少应用于复合智能水凝胶。现在研究者更多的是将生物质增强相（纤维素、木质素和壳聚糖等）改性带上其他基团或者与其他单体或聚合物反应，使其或增韧增强水凝胶，或提高其他性能。

1.2.1 纤维素

纤维素是极性分子，分子链之间有很强的相互作用力，且纤维素分子内与分子间都能形成氢键，同时具有六元吡喃环结构使糖苷键内旋转困难导致分子链刚性大大增加。利用纤维素这个性质可以改善智能水凝胶的强度与韧性，同时纤维素能提高水凝胶生物相容性和无毒性。Dutta等[16]分别在氧化还原交联剂N，N′-亚甲基双丙烯酰胺（BIS）和N，N′-双（丙烯酰）胱胺（CBA）作用下，N-异丙基丙烯酰胺（NIPA）、甲基纤维素共聚制备共聚（CP）水凝胶和在羧甲基纤维素存在下聚合NIPA合成半互穿网络（SIPN）水凝胶，这2种水凝胶都具有pH温度和氧化还原性。研究了CP水凝胶与相应的SIPN水凝胶的溶胀度，羧甲基纤维素对溶胀度的影响，以及在不同的pH值、温度和还原剂谷胱甘肽（GSH）存在下，进行了药物溶解酶体外释放试验，发现在较低的温度、较低的pH值和谷胱甘肽存在的环境时，释放速率最大。Duan等[17]以过硫酸铵为引发剂，纤维素纳米晶须（CNWs）、丙烯酰胺（AM）和甲基丙烯酸十八酯（C18）为单体，通过胶束共聚合制备了可自愈合的水凝胶。该水凝胶能自愈合主要是因为在室温下，其相关的胶束被破碎或切割，可以通过解离与重组简单地修复，使断裂的表面自我愈合。

1.2.2 木质素

木质素存在于木质组织中，用于硬化细胞壁。木质素主要位于纤维素纤维之间，起抗压作用。因此，利用木质素可增强智能水凝胶的强度与韧性。Dan等人[18]通过原子转移自由基聚合制备一系列的聚乙二醇甲基丙烯酸甲酯（PEGMA）接枝木质素的超支化共聚物，控制PEGMA与木质素的密度可控制其分子质量。由于其超支化结构，在α-环糊精存在下，其水溶液形成了具有非常低的临界凝胶浓度的超分子水凝胶。对超分子凝胶流变性能研究发现其具有可调的机械响应性与良好的自愈能力。该新型绿色超分子水凝胶有优良的生物相容性，在智能生物材料的生物医用中有巨大的应用前景。木质素的加入不仅增强增韧水凝胶，也实现了使水凝胶的可控机械响应、生物相容以及降解性能。

2 智能复合水凝胶材料的应用

无机物与生物质复合相会显著增加水凝胶的机械强度，以及智能水凝胶本身具有的刺激响应性，使得智能水凝胶复合材料在药物控释、生物医药、组织工程等领域有着巨大的应用前景。

2.1 药物控释

药物控释的主要目的是延长药物作用时间、降低药物毒性、减少给药次数。控释药物一般由药物和载体材料构成，石墨烯巨大的比表面积和良好的生物相容性使其常被用作药物载体。Guo等[19]利用壳聚糖功能化氧化石墨烯（CS-GO）纳米载体与聚乳酸（PLA）-聚（乙二醇）（PEG）-聚乳酸温敏水凝胶复合制备了一种新的局部亲水阿霉素（DOX）药物缓释系统。CS-GO纳米载体通过π-π堆叠和疏水相互作用装载DOX药物，然后将DOX/CS-GO混入温敏性水凝胶基质中得到可注射亲水性阿霉素缓释系统。该水凝胶在室温时是可流动的溶胶，在环境温度时是凝胶。细胞毒性试验表明PLA-PEG-PLA水凝胶与CS-GO纳米载体均无细胞毒性，而CS-GO/DOX纳米载体不仅增加了细胞摄取量，还增加了细胞毒性。同时PLA-PEG-PLA/（CS-GO/DOX）缓释体系药物可以持续释放200 h以上。而生物质都来源于植物纤维，本身具有无毒、可生物降解和生物相容性等优良特性，同时还能增韧增强水凝胶。Kwon[20]研究了含有异甘草素（ILTG）、具有pH敏感的羟乙基纤维素（HEC）/透明质酸（HA）复合水凝胶的理化性质，用于通过皮肤给药治疗因pH失衡的皮肤疾病。HA有良好的皮肤渗透性与pH敏感性，而HEC起到支架作用。HEC：HA质量比为1：3时，有最佳的流变性能和粘接性能，且在pH=7，ILTG存在下，可通过毛囊渗透到皮肤抑制痤疮杆菌的生长，实现对痤疮的治疗。

2.2 组织工程

水凝胶有着与人类组织极其相似的含水率、良好的生物相容性。在生物体内，水凝胶既不影响生命体的代谢过程，代谢产物又可以排出，其性质类似于细胞外基质部分，吸水后可减少对周围组织的摩擦和机械作用[21]。然而，细胞外基质具有一定的硬度，细胞只有在模拟组织硬度的基底上培养才会表现出与在体内环境相仿的行为。单洁玲等[22]综合介绍了一系列可智能化调控同时兼具一定硬度的水凝胶，及其构建的不同体外细胞培养模型。Zhang等[23]用II型胶原蛋白、透明质酸（HA）和聚乙二醇（PEG）合成一种复合水凝胶，并将磁性纳米粒子加入该复合水凝胶中形成磁性纳米复合水凝胶（MagGel），用于软骨组织工程。实验表明，MagGel能在保持结构完整性的同时对外部磁铁产生响应，即MagGel在远程磁导航下能移动到生理体液中组织缺损部位。骨髓间充质干细胞（BMSCs）易在培养时吞噬磁性纳米粒子，但磁性纳米粒子的存在不影响骨髓间充质干细胞粘附和形态。摄入的纳米粒子可能被溶酶体分解，通过胞吐作用分泌出去。该研究介绍的磁响应性纳米复合水凝胶在软骨组织工程中有着巨大的应用前景，还可以与电刺激相结合，研究其对细胞功能的影响，拓展其应用。

2.3 吸水材料

智能水凝胶复合的吸水材料具有智能水凝胶响应外界环境刺激的敏感性，同时有一定的机械强度，不易破碎。Luo等[24]在硫酸盐木质素：N-异丙基丙烯酰胺质量比为1：2和1.5 mL交联剂条件下，反应48 h制备出最大膨胀度（209.3%）、表面光滑均匀、有一定机械强度的温敏性水凝胶。热重测试表明该水凝胶具有好的耐热性即其降解温度较高，在低温和中性溶液中有利于水的吸收，吸收达到最大值时是20 ℃。史湘宁[25]制备的双刺激响应的细菌纤维素（BC）与海藻酸钠（SA）智能复合水凝胶（BC/SA），添加具有优异吸水能力的BC后，达到吸水平衡时BC/SA20，33，50的吸水性分别增加至干重的10.3，11.7，12.0倍。在SA用量为33%时有良好的pH响应性与电刺激响应性。当pH由1.5增至11.8时，BC/SA吸水性由小于8倍增到13倍以上，当外加电场强度由0 V增至0.5 V，吸水性由8倍上升至12倍。

3 展望

智能复合水凝胶材料不仅具有智能水凝胶的环境响应性，同时还具有无机增韧相或高分子增强相的特殊性质。以氧化石墨烯、二氧化硅等原料制备高吸水、高强度的智能复合水凝胶材料是增强智能水凝胶强度韧性以及其他物理性质的常用方法。而以纤维素和木质素等合成的复合材料是有效利用绿色生物资源增强增韧水凝胶的新途径。预计未来的研究更多地基于生物质材料，实现对绿色资源的有效利用与可持续发展。

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