劉玉鵬， 況培培,， 陳 瑩， 王基夫， 王春鵬， 儲富祥

(1.中國林業(yè)科學(xué)研究院 林產(chǎn)化學(xué)工業(yè)研究所；江蘇省生物質(zhì)能源與材料重點實驗室；國家林業(yè)和草原局林產(chǎn)化學(xué)工程重點實驗室；林木生物質(zhì)低碳高效利用國家工程研究中心；江蘇省林業(yè)資源高效加工利用協(xié)同創(chuàng)新中心，江蘇 南京 210042；2.南京郵電大學(xué)，有機(jī)電子與信息顯示國家重點實驗室培育基地，信息材料與納米技術(shù)研究院，江蘇 南京 210023)

水凝膠是一類具有特殊網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)、親水性極強(qiáng)的高分子材料，在水中可快速達(dá)到溶脹平衡[1]，表現(xiàn)出良好的延展性、彈性等性質(zhì)，因此在生物醫(yī)藥、組織工程等許多領(lǐng)域應(yīng)用廣泛，一直是高分子應(yīng)用材料的研究熱點之一。傳統(tǒng)意義上的水凝膠對環(huán)境反應(yīng)遲鈍，基本不會對外界環(huán)境變化產(chǎn)生回應(yīng)[2-3]，而環(huán)境敏感型水凝膠可以主動感受環(huán)境的細(xì)微變化，這些變化在一定程度上是由水凝膠的理化性能所決定[4]。由于環(huán)境敏感型水凝膠可以主動感受溫度、酸堿、光、電、磁等外部環(huán)境的差異，并且以特定的方式將感受到的變化反映到外界，通常表現(xiàn)為體積的溶脹或者收縮，這也使得環(huán)境敏感型水凝膠可以在更多領(lǐng)域發(fā)揮更重要的作用，例如藥物控釋、物料分離、組織工程、生物傳感器等。生物質(zhì)資源公認(rèn)具有碳中性屬性，蘊含著最豐富的可再生天然有機(jī)化合物。纖維素、木質(zhì)素、淀粉、甲殼素、氨基酸、多肽類、蛋白質(zhì)等來源于生物質(zhì)的天然大分子被廣泛用作制備水凝膠的原料，其中生物質(zhì)基環(huán)境響應(yīng)型水凝膠更以其獨特的響應(yīng)性和良好的生物相容性成為近年來智能高分子材料領(lǐng)域的研究熱點之一。本文主要從刺激響應(yīng)型水凝膠的刺激響應(yīng)方法和類型出發(fā)，重點闡述生物質(zhì)原料獨特分子結(jié)構(gòu)在刺激響應(yīng)型水凝膠中的應(yīng)用，總結(jié)了對不同環(huán)境刺激具有響應(yīng)性的生物質(zhì)基水凝膠及其在藥物控釋、組織工程、生物傳感器等方面的應(yīng)用，并對其未來的發(fā)展方向進(jìn)行展望，以期為今后的研究工作提供一定的參考。

1 生物質(zhì)基刺激響應(yīng)型水凝膠的類型

1.1 溫度響應(yīng)型水凝膠

溫度響應(yīng)型水凝膠是一類在外界溫度到達(dá)某一值時含水量突然改變的水凝膠，表現(xiàn)為體積隨著溫度的改變而發(fā)生變化，并且這種變化是可逆的[5-6]，根據(jù)對溫度差異的不同回應(yīng)行為可分為熱脹型和熱縮型2種類型。熱脹型水凝膠指當(dāng)溫度升高到某一值后，凝膠含水量突然發(fā)生變化，體積增大。熱縮型水凝膠則在溫度升高時含水量降低，表現(xiàn)為明顯的收縮行為[7]。Ding等[8]利用鈰離子引發(fā)接枝多糖聚合物方法，制備了具有良好力學(xué)性能的熱響應(yīng)甲基纖維素接枝聚丙烯酰胺(MC-g-PAM)水凝膠，該水凝膠因分子間氫鍵作用呈現(xiàn)最低臨界溶解溫度(LCST)大于最高臨界溶解溫度(UCST)響應(yīng)行為，通過使用不同的纖維素衍生物及調(diào)節(jié)甲基纖維素(MC)含量，可以控制水凝膠的透光率和機(jī)械強(qiáng)度，有望成為智能窗的智能材料。Cbwab等[9]利用甲基纖維素、黃原膠、羧甲基殼聚糖制備得到多糖基水凝膠，在凝膠溶液中摻入藥物地塞米松后可用于微創(chuàng)骨關(guān)節(jié)炎手術(shù)后的關(guān)節(jié)修復(fù)，研究顯示該水凝膠在環(huán)境溫度從室溫升高到人體溫度37 ℃時可完成溶膠-凝膠(sol-gel)的可逆轉(zhuǎn)變。此外，Xu等[10]在甲殼素溶液中直接聚合1,2-環(huán)氧丙烷單體制得溫敏的羥丙基甲殼素(HPCH)水凝膠，將高密度軟骨細(xì)胞包封于凝膠中可以得到軟骨細(xì)胞-水凝膠構(gòu)建體，可用于體內(nèi)外的軟骨再生，為軟骨缺損修復(fù)重建提供了一種新方法。除了聚合方法之外，Meng等[11]采用L-谷氨酸、低聚乙二醇(OEG)的嵌段共聚物與Ca2+交聯(lián)的離子凝膠方法制備了熱響應(yīng)水凝膠，谷氨酸基具有Ca2+的協(xié)同結(jié)合位點，加入Ca2+后可促使水凝膠形成，聚合物中的低聚乙二醇具有熱響應(yīng)性，可以使水凝膠在溫度變化時產(chǎn)生溶膠-凝膠的轉(zhuǎn)變。

1.2 酸堿響應(yīng)型水凝膠

隨著外界pH值的變化酸堿響應(yīng)型水凝膠的體積結(jié)構(gòu)隨之變化[12]，主要機(jī)理是連接在聚合物鏈上的弱酸/堿性基團(tuán)發(fā)揮作用，當(dāng)外部環(huán)境酸堿度變化時，觸發(fā)聚合物鏈上的基團(tuán)釋放或者接收質(zhì)子的“開關(guān)”，水凝膠的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和電荷發(fā)生相應(yīng)的改變，從而使得結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部和外部之間的滲透壓改變，最終導(dǎo)致水凝膠網(wǎng)絡(luò)的體積相變發(fā)生[13-14]。根據(jù)離子性質(zhì)的不同，酸堿響應(yīng)型水凝膠可以分為聚陽離子型、聚陰離子型和兩性離子型3種類型。Dai等[15]利用木質(zhì)素與聚乙二醇二縮水甘油醚(PEGDGE)在堿性條件下的交聯(lián)反應(yīng)，合成了具有pH響應(yīng)的全木質(zhì)素基水凝膠(Lig-Gel)，Lig-Gel對酸堿響應(yīng)迅速，并且在酸堿溶液中交替變形，顯示出在驅(qū)動器、智能開關(guān)等器件的開發(fā)中具有潛在的應(yīng)用前景。

結(jié)冷膠(GellanGum)是美國Kelco公司開發(fā)的一種新型微生物多糖。Dey等[16]利用結(jié)冷膠和槲皮素為原料，以Ca2+為交聯(lián)劑，通過離子凝膠法制備了負(fù)載槲皮素藥物的結(jié)冷膠水凝膠珠，該水凝膠在pH值7.4時溶脹最大，基于結(jié)冷膠水凝膠珠的pH響應(yīng)行為，可安全無損地將藥物送達(dá)目標(biāo)部位并且準(zhǔn)確釋放。Fan等[17]以雙醛羧甲基纖維素、妥布霉素、β-環(huán)糊精衍生物和冰片為原料，制備了一種酸堿響應(yīng)型水凝膠，該水凝膠不僅可以遞送及釋放藥物，而且可以加速創(chuàng)傷面的愈合。其中妥布霉素本身是一種氨基糖苷類抗生素藥，而且可作為交聯(lián)劑，其含有的亞胺鍵可將雙醛羧甲基纖維素交聯(lián)形成水凝膠，帶正電荷的環(huán)糊精衍生物中含有輔助藥物冰片，通過與羧基的靜電吸引分散在水凝膠內(nèi)，然后亞胺鍵會在傷口的弱酸性環(huán)境下斷裂，從而釋放出藥物和水凝膠內(nèi)部的水分，促進(jìn)傷口愈合。

1.3 光響應(yīng)型水凝膠

光響應(yīng)型水凝膠是指可在特定波長的光照射下發(fā)生溶膠-凝膠轉(zhuǎn)化的一類水凝膠[18]，分為光交聯(lián)型水凝膠和光降解型水凝膠。偶氮苯硼酸和聚乙二醇的混合溶液在紫外光(365 nm)或綠光(525 nm)照射下，可形成凝膠網(wǎng)絡(luò)；而用藍(lán)光(470 nm)對形成的凝膠照射后，產(chǎn)生的偶氮苯硼酸與聚乙二醇的結(jié)合力變差，致使聚乙二醇重新溶解，凝膠網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)被破壞，凝膠轉(zhuǎn)變?yōu)槿苣z[19]。

香豆素及其衍生物是一類疏水的烯烴化合物，具有抗凝、抗菌、抗炎、抗癌等多種功能活性，且具有良好的光響應(yīng)性[20]。Yu等[21]通過合成香豆素甲基丙烯酸酯交聯(lián)劑，并對聚丙烯酰胺基水凝膠進(jìn)行改性，制備了一種可自愈的光響應(yīng)水凝膠，該水凝膠在波長為365 nm的光照下表現(xiàn)出良好的自修復(fù)能力，為新型生物相容性自愈合材料的制備提供了新的思路。Lu等[22]基于香豆素光觸發(fā)內(nèi)成環(huán)特性，制備了香豆素改性的聚甲基丙烯酸水凝膠(MG-CMA)，該水凝膠可在對應(yīng)光照條件下產(chǎn)生光交聯(lián)(365 nm)和光裂解(254 nm)反應(yīng)實現(xiàn)水凝膠機(jī)械性能的光調(diào)控(圖1)，具體表現(xiàn)為：MG-CMA水凝膠在波長 365 nm 光照下發(fā)生自愈合、在波長254 nm光照下發(fā)生裂解、裂解后的水凝膠再次用365 nm光進(jìn)行照射后仍然可以再次愈合；而在無光照條件下，MG-CMA水凝膠無法發(fā)生愈合。

圖1 MG-CMA凝膠的光響應(yīng)行為[22]Fig.1 Photoresponsive behavior of MG-CMA[22]

1.4 電響應(yīng)型水凝膠

當(dāng)所處的電場環(huán)境發(fā)生變化時，電響應(yīng)型水凝膠中的離子會在電場作用下沿著特定方向運動，從而導(dǎo)致兩側(cè)離子濃度產(chǎn)生差異，這種差異會引起滲透壓產(chǎn)生差別，致使水凝膠體積發(fā)生變化[23]。電響應(yīng)型水凝膠的變化程度與接觸電極、電場強(qiáng)度及溶液中電解質(zhì)含量有關(guān)，通過外加電場可以精確控制水凝膠的變化，但其缺點是響應(yīng)速度較慢[24-25]。Eric等[26]通過聚(3,4-乙烯二氧噻吩) ∶聚苯乙烯磺酸(PEDOT ∶PSS)與藻酸鹽(Alg)混合制備電化學(xué)活性水凝膠(PEDOT/Alg)，當(dāng)施加正電壓時水凝膠收縮，而施加負(fù)電壓時水凝膠膨脹(圖2)，通過控制電壓可以將負(fù)載的藥物姜黃素(CUR)從凝膠體中釋放。Ovando-Medina等[27]以殼聚糖(CS)和丙烯酰胺為原料，通過聚合反應(yīng)得到聚丙烯酰胺/殼聚糖(PA/CS)水凝膠，然后將PA/CS水凝膠在吡咯水溶液中浸泡，在吡咯分散至水凝膠內(nèi)部后，升高反應(yīng)溫度并加入過硫酸銨(APS)引發(fā)化學(xué)聚合反應(yīng)，可得到應(yīng)用于卡托普利(高血壓控制藥物)遞送與釋放的聚丙烯酰胺/殼聚糖/聚吡咯(PA/CS/PPy)電活性水凝膠，研究發(fā)現(xiàn)：當(dāng)施加外界電脈沖時，藥物從水凝膠中釋放，釋放時間短，釋放速率與電壓成正比。

圖2 -1.0 V電場刺激后PEDOT/Alg(CUR)水凝膠的藥物控釋示意圖[26]Fig.2 Schematic diagram of controlled release of PEDOT/Alg(CUR) hydrogel after undergoing -1.0 electrostimulation[26]

1.5 磁響應(yīng)型水凝膠

磁響應(yīng)型水凝膠通常由具有磁性的微粒與聚合物水凝膠復(fù)合得到，常用的磁性微粒有Fe3O4、g-Fe2O3、CoFe2O4等，磁性微粒的類型、濃度、大小及分布都會影響水凝膠的響應(yīng)變化[28]。當(dāng)外界施加一定磁場時，由于水凝膠中的磁性微粒聚集使凝膠網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)收縮；當(dāng)磁場撤離時，水凝膠網(wǎng)絡(luò)分子自由擴(kuò)散恢復(fù)至原來的膨脹狀態(tài)。相較于其他類型的敏感型水凝膠，磁響應(yīng)型水凝膠具有快速響應(yīng)及易于操控的特點[29-31]。黃原膠是一種具有良好生物相容性的多糖基生物材料，復(fù)合Fe3O4磁性納米微粒制備的黃原膠/Fe3O4復(fù)合水凝膠能夠通過磁熱誘導(dǎo)控制藥物遞送以及磁共振無創(chuàng)傷監(jiān)測成像[32]。Rao等[33]以黃原膠和殼聚糖為原料，通過原位離子絡(luò)合反應(yīng)與Fe3O4磁性納米微粒復(fù)合，制備合成了磁響應(yīng)型聚電解質(zhì)復(fù)合水凝膠(MPECHs)，并將其用作小鼠胚胎成纖維細(xì)胞的培養(yǎng)基質(zhì)，研究發(fā)現(xiàn)：在磁場的刺激作用下可以使小鼠胚胎成纖維細(xì)胞的黏附和增殖能力變強(qiáng)。Zhang等[34]采用化學(xué)與物理相交聯(lián)的方法制備得到一種微晶纖維素@Fe3O4/木質(zhì)素- Ca2+水凝膠，研究發(fā)現(xiàn)：在近紅外(808 nm)光照射下，特別是在封閉空間和水下條件下，這種磁性水凝膠具有可控的光熱蝕刻圖案的能力。

1.6 多重響應(yīng)型水凝膠

多重響應(yīng)型水凝膠集合了溫度、pH值、光、電、磁等多種響應(yīng)功能，相比單一響應(yīng)型水凝膠具有更加廣泛的應(yīng)用前景。例如Ding等[35]利用巰醇-烯點擊化學(xué)反應(yīng)，將pH響應(yīng)型C6-OH烯丙基改性甲殼素(OAL-CS)與熱響應(yīng)型聚(N-異丙基丙烯酰胺)(PNIPAM)相結(jié)合，開發(fā)了一種新的pH和熱響應(yīng)型雙水凝膠體系，經(jīng)檢測該水凝膠無細(xì)胞毒性、無組織炎癥，可用于藥物傳遞和組織工程等領(lǐng)域。Shi等[36]基于兩親聚合物的自組裝特性，分別采用聚(乙二醇)和聚(L-谷氨酸)衍生物作為溫度和pH響應(yīng)片段，通過開環(huán)聚合和后修飾策略制備了一系列多肽水凝膠，研究表明：溫度和pH響應(yīng)是分子間相互作用、靜電排斥和二級結(jié)構(gòu)變化綜合影響的結(jié)果，水凝膠展現(xiàn)出良好生物相容性、降解性和黏附特性。

除雙重響應(yīng)型水凝膠外，還有三重響應(yīng)型水凝膠。Su等[37]以羧甲基纖維素(CMC)、N-異丙基丙烯酰胺(NIPAM)為原料，納米黏土為物理交聯(lián)劑，采用紫外光輻射法制備了PNIPAM/CMC水凝膠，該水凝膠對溫度、pH值和鹽具有三重響應(yīng)性，研究發(fā)現(xiàn)：將鹽酸四環(huán)素(TCH)負(fù)載到PNIPAM/CMC水凝膠中，可增強(qiáng)其抗菌能力，負(fù)載TCH的PNIPAM/CMC水凝膠對大腸桿菌和枯草桿菌表現(xiàn)出良好的抗菌活性和生物相容性。

2 生物質(zhì)基刺激響應(yīng)型水凝膠的典型應(yīng)用

2.1 藥物控釋

生物質(zhì)基環(huán)境敏感型水凝膠因良好的生物相容性在生物醫(yī)藥工程領(lǐng)域應(yīng)用廣泛，其中藥物控釋是應(yīng)用的最主要方向。Adnan等[38]以氯化鈣為交聯(lián)劑制備了明膠/十二烷基硫酸鈉/海藻酸鈉共混水凝膠薄膜，由于其酸堿敏感具有pH可控的藥物遞送能力，包封抗菌藥物環(huán)丙沙星后可在酸性環(huán)境下進(jìn)行可控釋放。Lin等[39]采用簡單的一鍋法制備了β-環(huán)糊精(β-CD)/纖維素復(fù)合Fe3O4納米粒子磁性水凝膠，接枝的β-CD使得水凝膠具有較高的載藥能力，同時，F(xiàn)e3O4納米粒子分散到水凝膠內(nèi)部后，可以通過電磁場強(qiáng)度使其發(fā)生聚集或分散，從而導(dǎo)致水凝膠的三維網(wǎng)絡(luò)發(fā)生快速、可逆地膨脹或收縮變形，以達(dá)到對藥物的可控釋放(圖3)。研究表明：該水凝膠在外加磁場下表現(xiàn)出快速的溶脹/消溶脹性能，通過調(diào)節(jié)電磁場和Fe3O4納米顆粒的含量，可以遠(yuǎn)程控制藥物進(jìn)行逐步釋放，并且可以控制逐步釋藥的劑量和速率。此外，細(xì)胞毒性測試結(jié)果證實，該水凝膠具有良好的生物相容性，有望在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域得到應(yīng)用。

圖3 β-環(huán)糊精(β-CD)/纖維素復(fù)合Fe3O4磁性水凝膠微球藥物控釋機(jī)理[39]Fig.3 Mechanism of drug controlled release behavior of β-cyclodextrin(β-CD)/cellulose composite Fe3O4magnetic hydrogel beads microspheres[39]

Zhang等[40]采用光誘導(dǎo)的亞胺交聯(lián)反應(yīng)機(jī)制，首先將鄰硝基苯(NB)接枝聚乳酸-乙醇酸共聚物(PLGA)上得到光響應(yīng)聚合物PLGA-NB，可以有效地將多種生物相容性大分子與PLGA-NB膠囊交聯(lián)，而無需進(jìn)行化學(xué)修飾。針對封裝效率低和初始釋放量高的問題，采用水/油/水(W/O/W)雙乳液策略，制備了具有中空結(jié)構(gòu)以及脈動式藥物釋放動力學(xué)行為的PLGA-NB膠囊，將蛋白質(zhì)包封在可光交聯(lián)且增厚的PLGA殼內(nèi)，從而避免連續(xù)釋放藥物現(xiàn)象。研究人員在膠囊中負(fù)載了轉(zhuǎn)化生長因子-β抑制劑后可調(diào)節(jié)細(xì)胞增殖、遷移、細(xì)胞外基質(zhì)產(chǎn)生和免疫應(yīng)答，可在傷口愈合過程中發(fā)揮多種作用。利用交聯(lián)作用可使得材料與微膠囊、水凝膠與傷口表面之間緊密且化學(xué)鍵合的界面成功整合，從而促進(jìn)皮膚傷口的愈合，為藥物控制系統(tǒng)與功能拓展研究提供新的思路。

2.2 生物組織工程

生物組織工程以人工合成材料為載體用于復(fù)合種子細(xì)胞，依據(jù)所需的目標(biāo)組織或器官制作出能夠修復(fù)或改善組織器官功能的人工替代物[41]，從而提高生活質(zhì)量。眾多研究者合成了可以模擬細(xì)胞外基質(zhì)的水凝膠[42]，為種子細(xì)胞提供滿足其三維生長要求的微環(huán)境，這些材料在重造組織器官方面具有巨大研究應(yīng)用前景。She等[43]利用聚乳酸、聚(L-谷氨酸)和己二酸二酰肼合成了具有細(xì)胞響應(yīng)的水凝膠開關(guān)，這種水凝膠開關(guān)可以引導(dǎo)脂肪源性干細(xì)胞的自發(fā)增殖，從而形成成熟的軟骨微組織，培養(yǎng)得到的軟骨組織與天然的組織無明顯差異。Koh等[44]通過對聚谷氨酸改性制備了一種具有印跡效應(yīng)的聚谷氨酸基水凝膠，研究發(fā)現(xiàn)：當(dāng)水凝膠浸泡在Ca2+溶液中，類似骨骼的磷灰石就會大量沉積在凝膠體內(nèi)，并且隨著Ca2+濃度的增加磷灰石形成能力增強(qiáng)，因此，該種水凝膠可作為可降解的骨骼再生生物支架。

2.3 生物傳感器

生物傳感器在食品和藥物分析、健康監(jiān)測、疾病診斷以及生物芯片等領(lǐng)域中發(fā)揮著重要的作用，生物質(zhì)基水凝膠在分子水平和生物相容性方面具有天然的優(yōu)勢。如針對糖尿病病人已經(jīng)開發(fā)了各種各樣的葡萄糖反應(yīng)性水凝膠以檢測和定量分析人體血糖水平，或者通過水凝膠響應(yīng)特性構(gòu)建控釋各類治療劑(例如胰島素)的智能響應(yīng)材料平臺[45]。Wang等[46]將來自葡萄糖、木糖等原料的熒光生物質(zhì)碳點復(fù)合到海藻酸鹽和纖維素納米纖維水凝膠體系中，得到的全生物質(zhì)熒光水凝膠在檢測水中Fe3+含量時表現(xiàn)出較高的靈敏度，可將其作為生物檢測器的重要部分應(yīng)用到金屬離子檢測中。由于與電子設(shè)備集成時能提高檢測靈敏度，因此具有良好機(jī)械柔性、自黏附性能的可導(dǎo)電水凝膠用做生物傳感器成為近幾年的研究熱點。Hao等[47]通過自由基聚合的方法制備聚丙烯酰胺@纖維素納米晶/單寧酸-銀納米復(fù)合水凝膠，并將其組裝成可穿戴柔性生物傳感器，水凝膠應(yīng)變靈敏度系數(shù)為1.02，電導(dǎo)率達(dá)1.56 S/m，由于其具有良好的可重復(fù)黏附性和抗菌性能，將其直接附著在皮膚上之后可精準(zhǔn)地監(jiān)控和區(qū)分人體的關(guān)節(jié)運動(如手腕、肘部、頸部和肩部等)和微小生理信號(如體液、脈搏、體溫等)，這些優(yōu)點使得水凝膠可以組裝成一個柔性的表皮傳感器。

2.4 吸附材料

環(huán)境敏感型水凝膠含有豐富的基團(tuán)和多孔網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，無論是在污水處理、土壤污染處理等環(huán)境保護(hù)方面，還是物質(zhì)分離純化等方面，均具有良好的應(yīng)用前景。Moslem等[48]在聚乙烯醇基水凝膠中引入磁性納米粒子，采用簡單的循環(huán)凍融方法合成了可以快速分散的多孔磁性聚乙烯醇/鋰皂石水凝膠，以牛血清蛋白為模型蛋白，闡明了水凝膠通過靜電作用和物理氫鍵作用來實現(xiàn)牛血清白蛋白吸附的機(jī)理以及蛋白質(zhì)-底物相互作用機(jī)制，為磁分離技術(shù)與吸附工藝在細(xì)胞分選、酶固定化、核酸脫離、藥物釋放等生物分離方面的應(yīng)用提供依據(jù)。通常環(huán)境敏感型水凝膠吸附材料多應(yīng)用于重金屬離子、染料的吸附，如Kumar等[49]以丙烯酸(AA)為單體，天然多糖蘆薈為骨架，采用自由基聚合接枝法合成半互穿聚合物網(wǎng)絡(luò)(SIPN)結(jié)構(gòu)的蘆薈基水凝膠，其對溫度、酸堿度和鹽均具有響應(yīng)性，該水凝膠含有的羧基官能團(tuán)可以與陽離子甲基紅染料分子相互作用，吸附溶液中的染料，研究表明：合成的水凝膠具有良好的生物降解性和生態(tài)友好性，埋土法降解率達(dá)76%；對甲基紅的吸附更適合于準(zhǔn)一級吸附動力學(xué)方程，當(dāng)pH值為10時，染料的去除率最高，去除率為73%。Ochi等[50]采用聚(N-異丙基丙烯酰胺)和海藻酸鹽為原料合成的熱響應(yīng)水凝膠，因含有較多的羧基基團(tuán)，賦予了凝膠吸附重金屬離子的能力，研究表明：3%海藻酸鹽和0.8%交聯(lián)劑制備的水凝膠，在10和50 ℃時對Cu2+的最大飽和吸附量為0.38和0.53 mmol/g，因此可以通過反復(fù)控制外部溫度達(dá)到水凝膠的體積相變溫度之上或之下來回收Cu2+。此外，Tekay等[51]以殼聚糖、鈉蒙脫土(NaMMT)及生物吸附劑螺旋藻為原料，采用凍干法使用螺旋藻對鈉蒙脫土進(jìn)行改性，合成了殼聚糖/蒙脫土/螺旋藻復(fù)合水凝膠，其可以通過物理吸附和靜電作用快速且大量地吸附溶液中的Cr6+，研究表明：在0.005% Cr6+溶液中，1%螺旋藻改性蒙脫土的復(fù)合水凝膠對Cr6+的吸附能力是純殼聚糖或殼聚糖/蒙脫土復(fù)合水凝膠的3倍，1 g的水凝膠吸附值約為48 mg/g；在0.02% Cr6+溶液對Cr6+的吸附值達(dá)到78 mg/g。

2.5 其他應(yīng)用

環(huán)境刺激響應(yīng)型水凝膠還可以用于細(xì)胞培養(yǎng)、抗菌材料等方面(圖4)。Mahboubian等[52]以甲基纖維素(MC)和透明質(zhì)酸(HA)為原料，制備的MC/HA水凝膠可以在環(huán)境溫度由25 ℃變?yōu)?7 ℃時，快速形成凝膠，實現(xiàn)溶膠-凝膠的變化。將細(xì)胞懸液均勻分散于MC和HA的混合液中，置于37 ℃、 5% CO2的培養(yǎng)箱中，混合溶液形成MC/HA水凝膠，細(xì)胞被固定于水凝膠基質(zhì)中，不僅方便更換培養(yǎng)液，而且可以避免細(xì)胞損耗。MC/HA水凝膠基質(zhì)中不僅含有大量的水，有利于營養(yǎng)物質(zhì)及代謝廢物的運輸，而且其含有的纖維連接蛋白等物質(zhì)，在細(xì)胞生長初期可以促進(jìn)細(xì)胞的生長和增殖。因此，該MC/HA水凝膠可以作為一種廉價的體外基質(zhì)應(yīng)用于3D細(xì)胞的培養(yǎng)。Chandna等[53]采用光敏劑(孟加拉玫瑰)、木質(zhì)素衍生的金屬和雙金屬(銀和金)納米復(fù)合物為主要原料，通過碳二酰亞胺化學(xué)方法得到一種光動力納米綴合物，將納米綴合物摻雜到聚丙烯酸基水凝膠中，制得具有pH響應(yīng)的抗菌光動力水凝膠，該水凝膠在激光輔助下可以有效地抑制真菌的生長。

圖4 生物質(zhì)原料制備水凝膠類型及其典型應(yīng)用領(lǐng)域Fig.4 Hydrogels prepared from biomass materials and their typical application fields

3 結(jié)語與展望

生物質(zhì)基刺激響應(yīng)型水凝膠由于具有優(yōu)異的生物相容性，以及外界環(huán)境刺激響應(yīng)特性和多種功能性，使其具有廣泛的應(yīng)用前景，發(fā)展?jié)摿薮?。雖然眾多研究在制備與應(yīng)用上取得了一系列重要研究成果，但由于制備原料大多采用本身結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜的天然大分子，制備的水凝膠高分子網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)多為立體無定形分子網(wǎng)絡(luò)，交聯(lián)點、分子鏈等無序分布導(dǎo)致了結(jié)構(gòu)的不規(guī)整性，因此合成的生物質(zhì)基刺激響應(yīng)性水凝膠的機(jī)械性能、響應(yīng)速度等往往很難達(dá)到預(yù)期效果，導(dǎo)致在應(yīng)用中受到限制。

在生物質(zhì)基刺激響應(yīng)型水凝膠設(shè)計制備過程中，普遍的策略是將不同環(huán)境響應(yīng)特性的基團(tuán)或聚合物鏈單元等通過各種手段引入到生物質(zhì)基水凝膠中，通過調(diào)控響應(yīng)單元的種類、數(shù)量、結(jié)構(gòu)特性等來實現(xiàn)不同應(yīng)用場景中預(yù)期的響應(yīng)性和功能性。筆者認(rèn)為基于生物質(zhì)天然大分子獨特結(jié)構(gòu)的水凝膠精準(zhǔn)構(gòu)筑和定向調(diào)控，以及兼具多功能性的多重刺激響應(yīng)型水凝膠構(gòu)建將是生物質(zhì)基刺激響應(yīng)型水凝膠未來研究的重點。一是目前的研究多利用天然大分子的官能團(tuán)進(jìn)行接枝修飾等進(jìn)行水凝膠的合成，合成過程仍存在復(fù)雜大分子的高效精準(zhǔn)利用手段不足、水凝膠生物基含量占比不高等問題，對天然大分子結(jié)構(gòu)特異性的認(rèn)識與利用手段需要更深入的研究，如針對大分子中多官能團(tuán)特性進(jìn)行多響應(yīng)單元精準(zhǔn)修飾改性，生物質(zhì)大分子自組裝結(jié)構(gòu)形態(tài)精確控制、全生物質(zhì)基水凝膠的構(gòu)筑與應(yīng)用研究等。二是新型綠色合成策略、多功能化技術(shù)、簡單模塊化的合成工藝將更快地促進(jìn)生物質(zhì)基刺激響應(yīng)型水凝膠的快速發(fā)展。水凝膠的網(wǎng)絡(luò)是通過共價鍵或非共價相互作用建立的，隨著可控/活性聚合、點擊化學(xué)、動態(tài)化學(xué)鍵、超分子自組裝、超分子聚集態(tài)調(diào)控等分子工程技術(shù)不斷快速發(fā)展并應(yīng)用于水凝膠的合成制備中，溶膠-凝膠過程機(jī)制和響應(yīng)機(jī)制等不斷明晰，凝膠材料結(jié)構(gòu)控制更加精確，材料的響應(yīng)時間、機(jī)械強(qiáng)度、穩(wěn)定性等方面的應(yīng)用性能更加優(yōu)良，設(shè)計簡單、功能多樣的生物質(zhì)基刺激響應(yīng)型水凝膠材料產(chǎn)品將會在日常生活當(dāng)中得到越來越廣泛的應(yīng)用。