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(jìn)行擴(kuò)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(guò)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(guò)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(xì)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(lái)源豐富，具有綠色環(huán)保的優(yōu)點(diǎn)，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(jìn)行調(diào)節(jié)，這些優(yōu)勢(shì)使水凝膠近些年受到很多生物域的研究者們的青睞，無(wú)論是在組織工程中還是作為藥物載體，它都顯示了獨(dú)特且明顯的優(yōu)勢(shì)。
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(jī)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(shí)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(xì)胞黏附性等，以有效地發(fā)揮作用并促進(jìn)新組織的形成。[3]下圖為利用羧甲基殼聚糖和無(wú)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(xì)胞增殖和細(xì)胞黏附。
2. 導(dǎo)電水凝膠的應(yīng)用
通過(guò)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(guó)內(nèi)外研究者圍繞導(dǎo)電水凝膠基傳感器開(kāi)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(jì)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(cè)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(diǎn)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(chǎng)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(lái)源豐富、價(jià)廉易得且可生物降解等優(yōu)勢(shì)，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(wèn)題，極大程度延長(zhǎng)了水凝膠的使用壽命，為解決水凝膠在實(shí)際應(yīng)用中的局限性開(kāi)辟了新的機(jī)會(huì)。近年來(lái)，研究人員通過(guò)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(lái)進(jìn)一步提高天然水凝膠的強(qiáng)度和韌性，增強(qiáng)其力學(xué)性能，從而擴(kuò)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(lái)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(lái)可進(jìn)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(jī)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(shí)現(xiàn)水凝膠的智能化、工業(yè)化和商業(yè)化，推動(dòng)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。
