肖福兵，李 紅，劉 潔，蒙麗君，杜文芳，楊勝園

(1.南華大學(xué)衡陽醫(yī)學(xué)院公共衛(wèi)生學(xué)院 湖南省典型環(huán)境污染與健康危害重點實驗室，湖南 衡陽 421001)(2.濱州學(xué)院生物與環(huán)境工程學(xué)院，山東 濱州 256600)

1 前 言

水凝膠(hydrogels)是一類含水量高但不溶于水的軟性高分子聚合物材料，一般通過物理或化學(xué)交聯(lián)反應(yīng)制備而成[1-2]。在微觀上，水凝膠聚合物中存在大量的親水基團(羧基，羥基，氨基等)，可以通過吸收水分來保持其三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，使水凝膠具有一定形狀；在宏觀上，水凝膠受到特定的外界刺激時可發(fā)生體積變化或凝膠-溶膠轉(zhuǎn)變，使之同時兼具液體和固體性質(zhì)[3-4]。水凝膠的獨特結(jié)構(gòu)使之與生物組織存在極大的相似性，因而是一種新型生物智能軟材料，在組織工程、藥物輸送、細胞培養(yǎng)等生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景[5-8]。

在20世紀50年代，關(guān)于水凝膠的理論研究就已經(jīng)開始，而直到1960年之后其應(yīng)用研究才相繼出現(xiàn)。Wichterle等[9]首次以聚羥乙基甲基丙烯酸酯為原料制備了水凝膠，并應(yīng)用于隱形眼鏡的制造，為水凝膠的應(yīng)用開辟了方向。隨著對水凝膠研究的深入，研究者們在傳統(tǒng)水凝膠的基礎(chǔ)上制備出了各種功能性水凝膠，在醫(yī)學(xué)診斷、光敏檢測、生物化學(xué)傳感等領(lǐng)域具有巨大的應(yīng)用潛能[10-15]。然而，傳統(tǒng)水凝膠的應(yīng)用通常受到其自身力學(xué)性能的限制，例如機械強度低、易被破壞等。因此，仿照生物組織自我修復(fù)損傷的能力，開發(fā)具有自愈性質(zhì)的水凝膠材料成為了研究熱點[16]。

自愈水凝膠是指能夠在受到外部損傷后，經(jīng)自身修復(fù)而使形態(tài)、性能接近或達到損傷前狀態(tài)的一類新型水凝膠材料[17]。與傳統(tǒng)水凝膠相比，自愈水凝膠的結(jié)構(gòu)和功能得到明顯改善，使用壽命得到有效延長[18]。同時由于水凝膠具備高含水量、可流動性、生物相容性及生物可降解性等優(yōu)點，在生物醫(yī)學(xué)方面的應(yīng)用中比其他高分子材料更具優(yōu)勢[19]。

本文將系統(tǒng)地綜述自愈水凝膠的最新研究進展，介紹自愈水凝膠的制備機理以及其在組織工程、藥物輸送、細胞培養(yǎng)等生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域中的應(yīng)用，總結(jié)自愈水凝膠發(fā)展中的挑戰(zhàn)和前景，旨在為自愈水凝膠材料的合成及其生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用提供參考。

2 自愈水凝膠的制備機理

近年來，自愈水凝膠因其獨特的性能，受到研究者們越來越多的關(guān)注。水凝膠的自愈能力通常是基于可逆反應(yīng)交聯(lián)，即凝膠網(wǎng)絡(luò)上的官能團在凝膠受損區(qū)域能產(chǎn)生可逆的物理或化學(xué)相互作用而實現(xiàn)的。根據(jù)自愈方式的不同，可將自愈水凝膠分為物理自愈和化學(xué)自愈2類。如圖1所示，物理自愈水凝膠通過非共價鍵相互作用來重建網(wǎng)絡(luò)，這種作用主要包括氫鍵作用、疏水締合作用、主客體相互作用、離子相互作用等；化學(xué)自愈水凝膠則通過動態(tài)的共價鍵來重建網(wǎng)絡(luò)，其中包括硼酸酯鍵、亞胺鍵、酰腙鍵、二硫鍵等。由于水凝膠的穩(wěn)定性、自愈能力及其力學(xué)性能都受到水凝膠合成機制的影響，因此，了解自愈水凝膠的合成機制對制備特定用途的水凝膠至關(guān)重要。

圖1 自愈水凝膠合成原理

2.1 可逆非共價鍵作用

本節(jié)重點介紹由氫鍵作用[20-22]、疏水締合作用[23，24]、主客體相互作用[25，26]和離子相互作用[27-29]交聯(lián)的自愈水凝膠。盡管這種物理相互作用可快速形成自愈水凝膠，但由于非共價鍵間的作用力較弱，因而僅由單一作用力交聯(lián)構(gòu)建的水凝膠力學(xué)性能通常較差。在實際應(yīng)用中，常采用多種可逆非共價鍵協(xié)同作用增強水凝膠的力學(xué)性能。

2.1.1 氫鍵作用

氫鍵是最常見的非共價鍵相互作用之一，通過氫原子與氧、氮、氟等高電負性原子之間產(chǎn)生相互作用形成[30]。利用氫鍵作用對不同聚合物進行動態(tài)交聯(lián)，可賦予水凝膠一定的自愈能力[17]。

聚乙烯醇(polyvinyl alcohol，PVA)含有大量羥基，可形成多重氫鍵，并且利用PVA制備出的水凝膠具有低毒性、可自愈等優(yōu)點，近年來受到研究者的大量關(guān)注。PVA的力學(xué)性能較差，胡欠欠等[20]在PVA水凝膠的基礎(chǔ)上，引入聚丙烯酰胺(PAM)骨架，制備出了一種具有更高強度的聚乙烯醇/聚丙烯酰胺(PVA/PAM)自愈水凝膠。由于2個斷面間的PVA和PAM分子鏈之間存在氫鍵，以及分子鏈之間的運動，水凝膠自愈，愈合后水凝膠的拉伸強度為40 kPa，約恢復(fù)到初始水凝膠強度(428 kPa)的10%。

除此之外，在PVA水凝膠基質(zhì)中加入納米材料，利用納米材料表面豐富的官能團與PVA分子鏈上的羥基(—OH)交聯(lián)形成氫鍵來增加水凝膠的交聯(lián)度，從而提高其機械強度[31]。如圖2所示，Liao等[21]以導(dǎo)電的功能化單壁碳納米管(FSWCNT)為載體，采用動態(tài)氫鍵交聯(lián)制備了一種具有良好導(dǎo)電性能的PVA納米復(fù)合自愈水凝膠。在硼酸鹽的存在下，碳納米管、聚乙烯醇和聚多巴胺(PDA)之間形成超分子交聯(lián)(氫鍵、π-π堆積)，以及PVA上羥基與四官能團硼酸根離子之間的動態(tài)絡(luò)合，使得水凝膠可以在2 s內(nèi)快速自愈，愈合效率達99%。用水凝膠對導(dǎo)電的功能化單壁碳納米管網(wǎng)絡(luò)進行固定，實現(xiàn)了對電阻變化的可重復(fù)、超靈敏和穩(wěn)定的電阻變化響應(yīng)，能夠監(jiān)測人體活動，在可穿戴電子傳感器領(lǐng)域具有較大的應(yīng)用潛力。

除了羥基(—OH)之外，酰胺基(—CONH2)和羧基(—COOH)也可以相互作用形成氫鍵。Wang等[22]采用甲基丙烯酰胺(MAAm)與甲基丙酸烯酸(MAAc)為原材料，通過自由基共聚的方法合成了一種具有良好形狀記憶性能的自愈水凝膠。在拉伸實驗中，施加100%的拉力后，由于鏈內(nèi)和鏈間的氫鍵作用，水凝膠能夠在3 min內(nèi)恢復(fù)至最初的狀態(tài)。將非共價鍵的動態(tài)性質(zhì)引入到水凝膠中以制備超分子水凝膠的這種策略，可以增強水凝膠的力學(xué)性能、形狀記憶性能和可回收性，使其作為結(jié)構(gòu)元件在生物醫(yī)學(xué)和工程領(lǐng)域發(fā)揮作用。

由此可見，氫鍵的動態(tài)可逆特性使之可以在水凝膠變形過程中不斷地斷裂和生成，賦予了水凝膠優(yōu)異的自愈性能。然而氫鍵在水溶液中通常不夠穩(wěn)定，并且一種氫鍵作用力較弱，因此，常采用多重氫鍵協(xié)同作用或與其他強共價鍵結(jié)合來提高鍵合作用力。

2.1.2 疏水相互作用

疏水相互作用是指疏水表面或疏水物在水性介質(zhì)中發(fā)生聚集[17]。與氫鍵相比，疏水相互作用的力更強、更易控制，可以通過改變疏水分子的形狀和數(shù)量來調(diào)節(jié)疏水作用力的大小。疏水相互作用主要發(fā)生在膠束中，通常在水凝膠中加入兩親性聚合物和表面活性劑，通過疏水締合作用形成膠束，從而得到膠束水凝膠[17]。基于膠束和兩親性聚合物之間的循環(huán)解離和結(jié)合，賦予該類水凝膠良好的自愈性。

在過去幾年中，通過疏水締合作用形成的自愈水凝膠常含有表面活性劑，合成過程十分復(fù)雜。隨著對疏水作用自愈水凝膠研究的深入，進一步開發(fā)了無需添加表面活性劑的自愈水凝膠制備方法[32]。例如，馮俊峰[24]受水蛭啟發(fā)，采用自由基聚合法制備了一種水凝膠-彈性體材料。該方法首先將兩親性三嵌段共聚物(PEOm-PPOn-PEOm)普朗尼克引入雙鍵并以其為交聯(lián)劑，在過硫酸鉀(KPS)的作用下，與彈性體單體丙烯酸-2-甲氧基乙酯(MEA)進行自由基聚合形成普朗尼克雙丙烯酸酯的膠束水凝膠(Pluronic/PMEA)。由于親水嵌段聚環(huán)氧乙烷(PEO)分子鏈和疏水嵌段聚環(huán)氧丙烷(PPO)分子鏈之間的疏水作用，以及聚丙烯酸-2-甲氧基乙酯(PMEA)分子鏈的運動，使得Pluronic/PMEA干凝膠在經(jīng)過拉伸后，在5 ℃接觸24 h后愈合40%，在45 ℃下接觸24 h后愈合68%。Meng等[32]將疏水單體甲基丙烯酸硬脂酸酯(C18M)溶解在兩親性再生絲素(RSF)溶液中，形成單分散球體系，然后通過引入海藻酸鈉(sodium alginate，SA)與Ca2+之間的離子相互作用，制備了疏水締合(hydrophobic-association，HA)水凝膠(SA-RSF-C18M-30 HA gels)。如圖3所示，由于疏水單體C18M和兩親性RSF存在疏水相互作用，使得水凝膠能夠在不同的應(yīng)變作用下恢復(fù)如初，在12 h內(nèi)裂紋接近消失。

圖3 SA-RSF-C18M-30 HA水凝膠自愈機理[32]：(a1，a2，a3，a4)SA-RSF-C18M-30 HA凝膠在37 ℃下的應(yīng)變掃描循環(huán)在應(yīng)變?yōu)?.1%和頻率為1 Hz下儲能模量(G′)和損耗模量(G″)的時間依賴性；(b1，b2，b3)在頻率為1 Hz下G′和G″的應(yīng)變依賴性；(c)水凝膠自愈過程的金相照片；(d)水凝膠愈合前后的結(jié)構(gòu)示意圖

Chen等[33]以疏水單體丙烯酸丁酯(BA)、甲基丙烯酸-2-二甲氨基乙酯(DMAEMA)和甲基丙烯酸(MAA)為原料，通過聚合和浸泡，制備了一系列物理交聯(lián)水凝膠。如圖4所示，切開的水凝膠可在5 min后自愈，愈合后的應(yīng)變曲線與原始應(yīng)變曲線幾乎重疊，表明其愈合效率接近100%。這種良好的自愈性能歸因于丁基側(cè)鏈的疏水鏈段傾向于聚集形成物理交聯(lián)點，從而形成較大的動態(tài)區(qū)，在疏水締合作用下，單個動態(tài)區(qū)又可通過物理交聯(lián)點重新交聯(lián)。

圖4 基于疏水相互作用的水凝膠的自愈結(jié)果及機理[33]：(a)水凝膠的自愈表現(xiàn)，(b)未受損和愈合后水凝膠的應(yīng)力-應(yīng)變曲線，(c)水凝膠的自愈效率，(d)水凝膠的自愈機制示意圖

雖然通過疏水締合作用制備出的自愈水凝膠在力學(xué)性能上有一定的改善，但制備過程復(fù)雜，且自愈性能會隨著時間延長而逐漸減退。因此，不斷開發(fā)新的疏水性共聚物，結(jié)合多種締合機制來提高水凝膠穩(wěn)定性是開發(fā)滿足需求的自愈水凝膠的關(guān)鍵。

2.1.3 主客體相互作用

主客體相互作用是指大環(huán)分子中的空腔利用疏水相互作用、氫鍵、π-π堆積等非共價鍵方式選擇性地容納小分子物質(zhì)以形成包合物。由于主客體相互作用具有較好的選擇性和可逆性，在構(gòu)建高強度自愈水凝膠中展現(xiàn)出獨特優(yōu)勢[17，34]。

環(huán)糊精(CD)和葫蘆脲(CB)可以與多種客體物質(zhì)形成包合物，常用于制備基于主客體相互作用的水凝膠。Yang等[25]報道了一種以β-環(huán)糊精(β-CD)改性的丙烯酸為主體、金剛烷功能化的透明質(zhì)酸為客體來制備水凝膠的方法。這2種改性后的物質(zhì)通過預(yù)組裝有效地形成主客體復(fù)合物，經(jīng)直接交聯(lián)可以得到自愈水凝膠，這種水凝膠具備穩(wěn)定的物理性質(zhì)、優(yōu)異的生物相容性和良好的自愈能力。如圖5所示，以N,N′-亞甲基雙丙烯酰胺(MBA)為不可逆交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)，以β-CD和金剛烷功能化的透明質(zhì)酸(ADxHA)之間的主客體大分子(HGM)反應(yīng)為可逆交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)，制備出具有可逆性的MBA-HGM水凝膠。Park等[26]將寡聚葫蘆脲(NS-CB)和金剛胺封端的4-臂聚乙二醇(AdA-4-arm-PEG)溶液簡單混合，在主客體作用下可自發(fā)形成水凝膠。自愈性能測試結(jié)果表明，水凝膠的裂紋可在1 min內(nèi)快速修復(fù)完成，在此過程中少量水的加入還可促進水凝膠的自愈。

圖5 MBA-HGM水凝膠的可逆控制過程示意圖[25]

由于主客體相互作用具備較高的選擇性和較好的可逆性，在自愈水凝膠制備方面受到了廣泛的關(guān)注。其缺點是通常需要對物質(zhì)進行改性，進而增強水凝膠的機械強度，制備工藝較復(fù)雜。

2.1.4 離子相互作用

水溶液中帶相反電荷的離子聚合物在離子相互作用下可形成水凝膠網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，由于動態(tài)離子鍵的可逆性，使水凝膠具有自愈性能[35]。

Zheng等[28]基于離子相互作用，通過將改性的聚甲基丙烯酸二甲氨基乙酯修飾到納米材料表面，利用聚合物產(chǎn)生的銨陽離子與聚甲基丙烯酸陰離子之間的相互作用，形成具有較高愈合效率的水凝膠聚合物網(wǎng)絡(luò)。將2個切開的圓柱體水凝膠置于30 ℃環(huán)境下接觸12 h，該水凝膠可以拉伸至原始水凝膠的拉伸長度，愈合效率接近100%。此外，Darabi等[29]通過兩步法合成了具有物理和化學(xué)交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)的導(dǎo)電水凝膠。將聚吡咯(PPy)接枝到雙鍵修飾的殼聚糖(DCH)上，形成聚吡咯接枝殼聚糖(DCH-PPy)聚合物。接著，在DCH-PPy和鐵離子(Fe3+)存在下，丙烯酸(AA)單體進行化學(xué)聚合形成聚丙烯酸(PAA)雙網(wǎng)絡(luò)水凝膠?；赑AA的—COOH、PPy的—NH—基團與Fe3+之間的動態(tài)離子相互作用，受損的水凝膠能夠在2 min內(nèi)恢復(fù)100%機械強度，30 s內(nèi)恢復(fù)90%的導(dǎo)電性能。

離子鍵合方式制備水凝膠的過程雖然簡單，但僅依靠單一離子鍵的交聯(lián)獲得的水凝膠通常機械強度低，結(jié)構(gòu)脆弱。為了克服這一缺點，可將離子交聯(lián)與共價交聯(lián)相結(jié)合，得到力學(xué)性能更穩(wěn)定的雙交聯(lián)自愈水凝膠網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。

2.2 動態(tài)共價鍵作用

除了非共價作用外，還可利用動態(tài)共價鍵制備自愈水凝膠，其自愈機理是基于化學(xué)鍵的動態(tài)平衡。由于共價鍵的穩(wěn)定性較高，制備出的水凝膠通常表現(xiàn)出良好的機械強度和自愈性能。本節(jié)中，將重點討論基于硼酸酯鍵[36-38]、亞胺鍵[39-42]、酰腙鍵[43-46]和二硫鍵[47，48]制備自愈水凝膠的原理。

2.2.1 硼酸酯鍵

硼酸可以與二元醇反應(yīng)形成動態(tài)的硼酸酯鍵，由于該反應(yīng)的可逆性，采用硼酸酯鍵交聯(lián)得到的水凝膠在一定條件下可實現(xiàn)快速自愈[49]。

陳益鳴[36]以硼酸酯鍵交聯(lián)的水凝膠作為第一重交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)，再采用冷凍-解凍方法使PVA進行物理交聯(lián)形成第二網(wǎng)絡(luò)，構(gòu)建了一種共價鍵與非共價鍵混合交聯(lián)的自愈水凝膠。結(jié)果表明，該水凝膠在室溫且無外界刺激的條件下，經(jīng)過10 min，即可實現(xiàn)接近100%的快速修復(fù)，而且還具備水下自修復(fù)的性能。此外，該課題組還采用一鍋法以N,N-二甲基丙烯酰胺(DMA)、丙烯酸羥乙酯(HEA)、硼酸為原料制備出了一種基于動態(tài)硼酸酯鍵的自修復(fù)水凝膠，該水凝膠在室溫下修復(fù)48 h，自愈效率達100%，還具有良好的穩(wěn)定性、類彈性體性能以及水致形狀記憶性能。

如圖6所示，Cai等[37]將單壁碳納米管(single wall carbon nanotube，SWCNT)引入到硼酸和PVA交聯(lián)形成的水凝膠中，可使切口在30 s內(nèi)部分愈合，60 s內(nèi)完全恢復(fù)正常。除此之外，在3.2 s的愈合時間內(nèi)，水凝膠的電導(dǎo)率可恢復(fù)到其初始電導(dǎo)率的(98±0.8)%。并且單壁碳納米管可以增強水凝膠的力學(xué)性能和導(dǎo)電性，在生物傳感器、電子皮膚、可穿戴電子器件等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景。

除PVA外，海藻酸鈉糖單元上的多重羥基也可與硼酸形成動態(tài)硼酸酯鍵，丁曉亞等[38]利用2-甲?；交?2-FPBA)、超支化聚乙烯亞胺與海藻酸鈉反應(yīng)構(gòu)建了一種動態(tài)可逆交聯(lián)的自愈水凝膠，在室溫下放置接觸20 min即可完成自愈。該水凝膠制備條件溫和、過程簡單快速，使用含較多氨基基團的聚乙烯亞胺作為原料，使合成的水凝膠兼具自修復(fù)性能和可注射性能，可應(yīng)用于組織工程支架、藥物控釋載體以及3D生物打印等領(lǐng)域。

2.2.2 亞胺鍵

亞胺鍵，又被稱為席夫堿(Schiff base)，由醛基(—CHO)和伯胺基(—NH2)之間發(fā)生親核加成反應(yīng)生成。亞胺鍵是一種較強的可逆共價鍵，常被作為動態(tài)交聯(lián)鍵來制備自愈水凝膠[39]。

殼聚糖主鏈上含有豐富的氨基，且具有良好的生物相容性，適合制備基于亞胺鍵的自愈水凝膠。殼聚糖與乙二醛、戊二醛等小分子雙醛交聯(lián)制備水凝膠的研究已有報道，但小分子雙醛的毒性往往限制了其在生物醫(yī)藥領(lǐng)域的應(yīng)用[40]。海藻酸鹽是一類能夠用于生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域且來源廣泛的高分子生物材料。通常使用強氧化劑將其結(jié)構(gòu)中的部分羥基(—OH)氧化成醛基(—CHO)，生成氧化海藻酸鹽后用作交聯(lián)劑。Chen等[41]報道了一種與微球集成的抗菌可生物降解復(fù)合水凝膠敷料，該敷料是由氧化海藻酸鹽和羧甲基殼聚糖基于動態(tài)亞胺鍵構(gòu)建，并負載鹽酸四環(huán)素明膠微球形成的復(fù)合水凝膠，可以作為抗菌復(fù)合敷料以促進傷口愈合。另外，殼聚糖(CS)還可與纖維素交聯(lián)，實現(xiàn)自愈水凝膠的制備。Cheng等[42]以殼聚糖和纖維素納米纖維這2種原料制備了自愈性可調(diào)的新型復(fù)合自愈水凝膠，該水凝膠可在9 h內(nèi)完全恢復(fù)。

2.2.3 酰腙鍵

酰腙鍵由醛基或羰基與酰肼基發(fā)生縮合反應(yīng)形成。由于酰腙鍵中不僅含有亞胺鍵，還存在氫鍵作用力，所以比亞胺鍵更加穩(wěn)定。在酸性條件下，酰腙鍵能夠進行動態(tài)可逆的斷裂與形成，從而具有自修復(fù)的能力[50]。

侯一凡等[45]利用高碘酸鈉氧化海藻酸鈉，然后通過可逆的酰腙鍵與聚乙二醇-二苯甲酰肼進行交聯(lián)，制備得到了較高彈性的pH響應(yīng)水凝膠。實驗結(jié)果表明，該水凝膠可以通過改變pH值實現(xiàn)溶膠-凝膠間的轉(zhuǎn)化，有望應(yīng)用于藥物輸送、器官修復(fù)等方面。

此外，Xiao等[46]利用含有豐富醛基的雙醛纖維素納米晶(dialdehyde cellulose nanocrystals，DACNCs)和酰肼封端聚乙二醇(acylhydrazine-terminated polyethylene glycol，HZ-PEG-HZ)作為交聯(lián)劑，通過動態(tài)可逆的酰腙鍵合成了一種納米復(fù)合自愈水凝膠(圖7)。由于酰腙鍵的動態(tài)可逆性，通過調(diào)整愈合pH值、時間、濃度，可使水凝膠在8 h內(nèi)愈合，自愈效率能達到100%。因此，該水凝膠具有良好的自愈性和較高的生物相容性，在組織工程和生物醫(yī)學(xué)工程領(lǐng)域具有潛在的應(yīng)用價值。

圖7 二醛纖維素納米晶基水凝膠的合成及自修復(fù)機制[46]

2.2.4 二硫鍵

二硫鍵廣泛存在于蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)中，硫醇在氧化條件下可形成分子間二硫鍵，二硫鍵在還原條件下又可以斷裂形成巰基，如果將這種動態(tài)化學(xué)鍵引入水凝膠中，可賦予水凝膠一定的自愈能力[51-52]。

Zhang等[47]通過將牛血清白蛋白中的二硫鍵進行重組，構(gòu)建了一種新型的可快速自愈的蛋白水凝膠。該蛋白水凝膠可在1～2 min內(nèi)響應(yīng)H2O2刺激并快速愈合，愈合效率達100 %。另外，Zhang等[49]以巰基酰肼雙功能化的透明質(zhì)酸與氧化海藻酸鈉為原料，通過腙鍵和二硫鍵制備了一系列可注射原位雙交聯(lián)水凝膠。實驗結(jié)果表明，該水凝膠具有良好的綜合性能，在藥物緩釋領(lǐng)域具有一定的應(yīng)用潛力。

3 自愈水凝膠的生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用

自愈水凝膠作為一種新型的智能軟材料，與生物組織具有較高的相似性。近年來，自愈水凝膠在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用越來越受歡迎，本節(jié)主要論述自愈水凝膠在組織工程、藥物輸送、細胞培養(yǎng)等生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域取得的應(yīng)用研究進展。

3.1 組織工程

由于自愈水凝膠具有高水合率、較好的粘性以及良好的自修復(fù)能力等優(yōu)點，在組織修復(fù)和再生中發(fā)揮了重要的作用，主要表現(xiàn)在血管組織修復(fù)、軟骨缺損修復(fù)、神經(jīng)修復(fù)、心臟組織修復(fù)等[53]。

目前，雖然臨床上已有多種血管組織網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建方法，但是異體排斥、結(jié)構(gòu)易破損等問題仍然存在。為了進一步改進這些缺點，Tseng等[54]利用自愈水凝膠構(gòu)建了一種血管化結(jié)構(gòu)。他們采用聚乙二醇二丙烯酸酯(PEGDA)、二硫蘇糖醇(DTT)和硼砂溶液混合制備出一種遇葡萄糖可自動降解的自愈水凝膠，并將葡萄糖敏感的水凝膠注射到分支管狀非葡萄糖敏感水凝膠中，葡萄糖敏感水凝膠碎片迅速自愈形成分支管狀水凝膠。將其整體浸泡在細胞培養(yǎng)基中，可快速去除葡萄糖敏感性水凝膠，得到相應(yīng)的管狀通道，最后將血管內(nèi)皮細胞注入到管狀通道中。結(jié)果表明，神經(jīng)干細胞和血管內(nèi)皮細胞可以在該水凝膠形成的管狀通道結(jié)構(gòu)中生長繁殖(如圖8所示)，14 d后可以看到內(nèi)皮細胞形成毛細管狀結(jié)構(gòu)，而神經(jīng)干細胞形成神經(jīng)球樣結(jié)構(gòu)。因此，該水凝膠有望用于血管結(jié)構(gòu)的再生。

圖8 自愈水凝膠構(gòu)建血管結(jié)構(gòu)過程示意圖[54]

另一方面，因創(chuàng)傷或手術(shù)所致的骨缺損是臨床上常見的疾病，治療方法主要依賴植骨。但傳統(tǒng)的植骨技術(shù)治療時間較長，并且較易出現(xiàn)骨折不愈合等并發(fā)癥，實驗表明自愈水凝膠在骨損傷的修復(fù)方面有較好的促進作用[55，56]。殼聚糖和海藻酸鈉作為一種天然高分子生物材料，來源廣、成本低，并且其分子鏈上存在大量活性基團(羥基、氨基、羧基)，易于進行化學(xué)修飾，從而與其他物質(zhì)反應(yīng)制備出水凝膠，具有良好的生物相容性和親水性，適用于軟骨組織分化。李云潔等[57]采用羧甲基殼聚糖和氧化海藻酸納制備出不同交聯(lián)度的水凝膠。殼聚糖中的—NH2和海藻酸鈉中的—CHO能形成可逆的亞胺鍵，從而使斷裂的水凝膠發(fā)生自愈，可維持支架材料的完整性和穩(wěn)定性。另外，充分交聯(lián)的可逆亞胺鍵使水凝膠具有更強的黏附性，能夠非常緊密地填充在軟骨缺損部位，支撐周圍健康軟骨組織和軟骨再生修復(fù)。

3.2 藥物輸送

水凝膠的多孔結(jié)構(gòu)可以裝載藥物，并且通過水凝膠對靶點的響應(yīng)性可以精準控制藥物的釋放量。自愈水凝膠載體具有可注射性，可以起到防止藥物降解的作用，在藥物輸送領(lǐng)域有潛在的應(yīng)用前景[58]。

Song等[59]將N-異丙基丙烯酰胺(NIPAM)和丙烯酰胺(AM)嵌段共聚物作為第二網(wǎng)絡(luò)引入羧甲基纖維素單網(wǎng)絡(luò)凝膠(CMC Gel)中，構(gòu)建了雙網(wǎng)絡(luò)水凝膠(CMC/PNIPAM-co-PAM)。由于CMC與PNIPAM-co-PAM在雙網(wǎng)絡(luò)水凝膠中存在氫鍵或其他分子間作用力，CMC/PNIPAM-co-PAM凝膠的熱穩(wěn)定性和力學(xué)性能優(yōu)于PNIPAM-co-PAM凝膠。該雙網(wǎng)絡(luò)水凝膠顯示出對pH值和溫度的智能雙重響應(yīng)行為?；诖颂匦?，將藥物四環(huán)素負載到雙網(wǎng)絡(luò)水凝膠中，可以精確靶向治療腸道細菌感染。

Chen等[60]利用氧化海藻酸鈉中醛基與羧乙基殼聚糖中的氨基形成亞胺鍵進行交聯(lián)，制備了自愈水凝膠，并通過包裹超順磁性氧化鐵納米顆粒制備了磁性微球，同時也將模型抗癌藥物5-氟尿嘧啶包埋在微球中，制備包埋5-氟尿嘧啶和磁性氧化鐵的復(fù)合水凝膠微球?；趧討B(tài)的亞胺鍵可賦予水凝膠自愈性和可注射性，適用于不同部位的藥物輸送，并且，由于磁性和自愈性的良好協(xié)同作用，可以同時實現(xiàn)自愈和磁性遙控，使負載藥物的復(fù)合水凝膠微球能夠更加快速、準確地到達靶部位，提高藥物輸送效率。

3.3 細胞培養(yǎng)

體外細胞培養(yǎng)是生物醫(yī)學(xué)研究中必不可少的技術(shù)。由于自愈水凝膠中的三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)類似于細胞外基質(zhì)，不僅可以提供水和營養(yǎng)物質(zhì)的交換，還可起到支撐作用，是細胞增殖和分化的理想培養(yǎng)基質(zhì)，目前被廣泛用作細胞培養(yǎng)的三維支架[44，61，62]。

Yang等[44]利用動態(tài)共價酰腙鍵構(gòu)建了一類新型的纖維素自愈水凝膠，所得水凝膠具有優(yōu)良的自愈能力、良好的生物相容性和穩(wěn)定的力學(xué)性能，可以作為L929細胞的三維培養(yǎng)支架，使細胞保持較高的活性和增殖能力。Zhang等[63]將磁響應(yīng)光子晶體(Fe3O4@SiO2)集成到明膠水凝膠中，制備出了具有磁性和光熱控制自愈能力的仿生結(jié)構(gòu)水凝膠。由于Fe3O4納米粒子在近紅外(NIR)輻射和外加磁場的作用下會吸收熱量，從而刺激水凝膠的交聯(lián)以達到愈合，使水凝膠具有仿生結(jié)構(gòu)，可應(yīng)用于3T3細胞培養(yǎng)。

4 結(jié) 語

盡管傳統(tǒng)水凝膠應(yīng)用比較廣泛，但受損易導(dǎo)致破裂，影響網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的完整性，從而縮短使用壽命。近年來，隨著在該領(lǐng)域研究的擴展和深入，自愈水凝膠的開發(fā)在生物醫(yī)學(xué)研究中受到廣泛關(guān)注。目前，通過動態(tài)可逆交聯(lián)方式制備的水凝膠往往具有自愈特性。隨著對水凝膠的硬度和強度等力學(xué)性能需求的增加，通過單一的物理交聯(lián)或者化學(xué)交聯(lián)制備的自愈水凝膠均難以滿足實際應(yīng)用需求。因此，通過多種機制的協(xié)同作用來制備高強高韌的自愈水凝膠將成為未來的發(fā)展趨勢。其中，雙網(wǎng)絡(luò)水凝膠、納米復(fù)合水凝膠的出現(xiàn)，為自愈水凝膠的制備及應(yīng)用研究開辟了一條新的途徑?？傊?，自愈水凝膠材料的研究尚處于起步階段，大部分自愈水凝膠仍存在力學(xué)性能差和響應(yīng)性功能弱等缺點，這些問題的解決將極大推動自愈水凝膠在生物醫(yī)學(xué)中的研究和應(yīng)用。