水凝膠材料概述
水凝膠是一種可以在水中發(fā)生溶脹但是不溶解的一類交聯(lián)聚合物。親水小分子可以在水凝膠中進行擴散。水凝膠的微觀結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)如圖所示。
廣義的水凝膠包括物理凝膠和化學(xué)凝膠。
物理凝膠是通過物理作用力如靜電作用、氫鍵、鏈的纏繞等形成的, 這種凝膠是非永久性的, 通過加熱凝膠可轉(zhuǎn)變?yōu)槿芤骸?/font>
化學(xué)凝膠是由化學(xué)鍵交聯(lián)形成的三維網(wǎng)絡(luò)聚合物, 是永久性的, 又稱為真凝膠。
本文主要討論具有交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的化學(xué)凝膠。
水凝膠的高含水量，良好的生物相使周圍細胞的炎癥反應(yīng)最小化，因此，水凝膠具有應(yīng)用于生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的巨大潛力。此外，天然水凝膠常具有能性，且來源豐富，具有綠色環(huán)保的優(yōu)點，如透明質(zhì)酸具有免疫調(diào)節(jié)、抗菌、抗氧化等特性，殼聚糖具有抗炎的作用；而人工合成水凝膠的結(jié)構(gòu)和功能可以根據(jù)應(yīng)用需要進行調(diào)節(jié)，這些優(yōu)勢使水凝膠近些年受到很多生物域的研究者們的青睞，無論是在組織工程中還是作為藥物載體，它都顯示了獨特且明顯的優(yōu)勢。
應(yīng)用
1. 生物醫(yī)療領(lǐng)域
生物基水凝膠可以作為藥物緩釋和靶向傳輸載體，其具有類似于人體組織結(jié)構(gòu)的黏彈性和適宜的機械性能，已成為組織工程支架的理想材料；其豐富的孔隙結(jié)構(gòu)和良好的保水性也適于藥物的封裝和緩釋，在藥物輸送領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用潛力。
生物基水凝膠也可作為生物組織工程的修復(fù)材料，生物基水凝膠網(wǎng)絡(luò)中含有大量的水分，同時具有很好的生物相容性和可降解性，是理想的生物組織工程修復(fù)材料。作為組織工程的水凝膠支架需滿足一定技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，包括易加工性、生物降解性、生物相容性、生物活性和細胞黏附性等，以有效地發(fā)揮作用并促進新組織的形成。[3]下圖為利用羧甲基殼聚糖和無定型磷酸鈣合成的新型納米粒子復(fù)合水凝膠，該水凝膠具有良好的生物相容性，可作為組織支架有效支持充質(zhì)干細胞增殖和細胞黏附。
2. 導(dǎo)電水凝膠的應(yīng)用
通過導(dǎo)電聚合物自組裝或者與親水性聚合物共聚，亦或是引入導(dǎo)電鹽、導(dǎo)電顆粒、碳納米管等填充物到水凝膠中，可以合成具有導(dǎo)電性能的水凝膠材料。導(dǎo)電水凝膠由于其出色的柔性可拉伸特性及良好的導(dǎo)電性能，已然成為最具前景的柔性電子材料之一。其中，柔性可拉伸傳感是導(dǎo)電水凝膠極為重要的應(yīng)用領(lǐng)域，國內(nèi)外研究者圍繞導(dǎo)電水凝膠基傳感器開展了大量的應(yīng)用研究。
導(dǎo)電水凝膠因其優(yōu)異的柔韌性、拉伸性和高導(dǎo)電性，在柔性傳感領(lǐng)域中前景廣闊。以導(dǎo)電水凝膠為敏感材料設(shè)計的柔性傳感器在生物醫(yī)學(xué)、可穿戴電子設(shè)備、健康監(jiān)測等方面表現(xiàn)出巨大的應(yīng)用潛力。導(dǎo)電水凝膠基傳感器盡管優(yōu)點眾多，但依舊存在不足，如高溫干燥環(huán)境下水分蒸發(fā)以及低溫下水分凝結(jié)，使得導(dǎo)電水凝膠基傳感器的使用場景較為苛刻。
3. 自修復(fù)天然高分子水凝膠
自修復(fù)天然高分子水凝膠具備了天然高分子生物相容性好、來源豐富、價廉易得且可生物降解等優(yōu)勢，加上其良好的自修復(fù)性能，能夠解決傳統(tǒng)水凝膠易裂解破損問題，極大程度延長了水凝膠的使用壽命，為解決水凝膠在實際應(yīng)用中的局限性開辟了新的機會。近年來，研究人員通過在天然高分子水凝膠中引入納米粒子（石墨烯、碳納米管、MXene等）制備復(fù)合水凝膠、構(gòu)建互穿網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)以及引入主客體超分子相互作用等方法來進一步提高天然水凝膠的強度和韌性，增強其力學(xué)性能，從而擴展了其應(yīng)用領(lǐng)域。
目前，自修復(fù)天然高分子水凝膠雖受到了越來越多研究者的關(guān)注，但仍局限于組織工程、藥物釋放、傷口敷料等生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域。未來可進一步豐富水凝膠的功能，結(jié)合光、電、磁刺激響應(yīng)、形狀記憶、導(dǎo)電性和3D打印等特性，拓寬其在軟智能機器人、仿生電子皮膚、柔性可穿戴電子設(shè)備等創(chuàng)新領(lǐng)域的應(yīng)用，實現(xiàn)水凝膠的智能化、工業(yè)化和商業(yè)化，推動自修復(fù)天然高分子水凝膠在生物材料和智能軟材料領(lǐng)域的發(fā)展。
