作為典型的柔性材料，凝膠材料因具有良好的粘彈性，透明性，生物相容性以及與人體軟組織類似的結構和性能而在細胞治療，生物傳感器，組織工程等生物醫學領域以及柔性電子和柔性機器等工程技術領域具有重要科學意義和廣闊的應用前景。由于其特殊的使用要求，需對其力學性能、生物相容性、功能化等進行設計調控，以滿足在不同領域中的需求。

    西安交通大學陳詠梅課題組近年來逐步建立了一系列成熟的多功能凝膠材料合成及結構性能調控的方法，并且圍繞自愈合性能、磁學性能、發光性能、導電性能，高機械性能等，開發了一系列多功能凝膠材料（圖1），展示了其在三維細胞包埋、磁性導管、柔性透明可拉伸導線和柔性器件等方面的優異性能，為生物醫學研究和柔性器件的發展提供了新手段和新技術。

    圖1 陳詠梅教授課題組研發的多功能水凝膠材料

    1. 可在生理環境下自愈合的多糖水凝膠

    作為一種新型智能材料，自愈合凝膠在解決軟材料損傷修復問題，實現柔性材料智能化和高效化方面具有重要意義。陳詠梅課題組研制了基于天然多糖的可在生理條件下自愈合，并且具有良好細胞相容性的新型自愈合水凝膠材料。這些具有優異性能的水凝膠材料有望作為細胞或藥物載體應用于生物醫學領域。合成了基于動態共價化學的多糖基自愈合水凝膠，該水凝膠中含有酰腙鍵和亞胺鍵兩種動態共價化學鍵，是通過己二酰肼（adipic acid dihydrazide，ADH）交聯氧化海藻酸鈉（oxidizedsodium alginate， OSA）生成可逆酰腙鍵，同時通過氧化海藻酸鈉交聯水溶性殼聚糖（N-carboxyethylchitosan，CEC）得到可逆亞胺鍵來形成基于兩種動態共價化學鍵的多糖基自愈合水凝膠材料，稱為CEC-l-OSA-l-ADH 水凝膠（“l” 表示 “交聯”），該水凝膠在生理條件下具有較高的自愈合效率，值得一提的是該水凝膠還有可注射性和降解性能。上述優勢賦予該水凝膠三維包埋和釋放活體細胞的功能（Adv.Funct.Mater.2015, 25（9）：1352-1359封底論文）（圖2a）。

    圖2. 多糖基自愈合水凝膠。（a）CEC-l-OSA-l-ADH在生理環境下自愈合照片；自愈合力學性能測試；外界環境對自愈合性能的影響。（b）SECM檢測葡聚糖自愈合水凝膠的自愈合過程和效率。

    此外，還提出了一種基于可逆迪爾斯-阿爾德（DA）反應的天然多糖自愈合水凝膠的合成制備方法。以修飾有富烯基團的葡聚糖（fulvene-modified dextran，Dex-FE）為雙烯體，二氯馬來酸修飾的聚乙二醇（PEG-dichloromaleic anhydride，PEG-DiCMA）為親雙烯體制備了自愈合水凝膠材料，研制出了可在生理條件下自愈合，并且具有良好細胞相容性的葡聚糖自愈合水凝膠。Dex-FE與PEG-DiCMA在37°C下，pH7.0的磷酸鹽緩沖溶液（PBS）中發生可逆DA反應交聯制備得到葡聚糖自愈合Dex-l-PEG水凝膠。首次采用掃描電化學顯微鏡（SECM）對水凝膠自愈合過程進行了三維實時監測（Macromol.Rapid Comm. 2013, 34 （18）： 1464-1470）（圖2b）。并受邀在化學領域權威綜述刊物Chem.Soc. Rev. （2014, 43 （23）： 8114-8131）上發表了自愈合凝膠材料的設計合成及其在生物醫學和工程技術領域的綜述，展望了未來發展方向。

    2. 高強度水凝膠材料

    傳統高分子水凝膠材料因力學性能低而難以實現其實際應用。高強度水凝膠材料的設計對大幅度提高水凝膠力學性能以及推動功能水凝膠材料在生物材料和柔性器件中的應用研究意義重大。陳詠梅課題組與哈佛大學鎖志剛教授合作，通過簡便的兩步法可制備得到具有高度可拉伸性能的高強度海藻酸鈉（alginate）/聚丙烯酰胺（PAAm）復合水凝膠，并在此設計思路上制備了具有抗撕裂功能的高強度磁性水凝膠材料。不同二價離子（Ca2+,Sr2+, Ba2+）和三價離子（Al3+,Fe3+）對海藻酸鈉的交聯顯著影響水凝膠的力學性能。拉伸測試表明三價陽離子交聯的水凝膠的斷裂應力高達~900kPa，能量耗散高達~2000kJ×m?3。此外，該水凝膠薄片可以吹成一個大氣球，60秒時其面積變化為760％，進一步證實了其優異的力學性能（圖 3）（ACS Appl. Mater.Interfaces.2013，5（21）：10418-10422）。

    圖3 兩步法制備不同離子交聯的alginate/PAAm復合水凝膠流程圖（a），以及水凝膠吹氣球過程照片（b）（比例尺： 4 mm）。

    3.抗撕裂性能的高強度磁性水凝膠材料

    針對目前大部分磁性水凝膠的機械性能差，不能滿足荷載承力柔性器件需求的現狀，陳詠梅課題組首次設計制備了具有抗撕裂性能的高強度磁性水凝膠材料。在高強度海藻酸鹽/聚丙烯酰胺水凝膠中適量均勻摻雜經海藻酸鈉修飾的磁性Fe3O4納米粒子，發現水凝膠不但具有良好的磁響應性能，而且具有良好的力學性能和抗撕裂性能，壓縮強度可高達~5MPa，拉伸強度可高達~1MPa，且拉伸長度可達~10倍，打結、彎曲該磁性水凝膠也能保持其良好的狀態（圖4），斷裂能高達~1600-3000 J m-2。即使帶有預切口的水凝膠材料，拉伸長度也可達8.8倍（圖5）。并進一步展示了高強度磁性水凝膠作為懸臂梁彎曲致動器和磁性微創醫療導管材料的初步應用。該研究結果為在賦予水凝膠磁響應性的同時保證其高力學性能，拓展磁性水凝膠材料的應用領域奠定了基礎。

    圖4 （a）高強度海藻酸鹽/聚丙烯酰胺水凝膠結構示意圖，以及（b）  水凝膠拉伸、壓縮、打結照片， （c）水凝膠在磁場驅動下的響應性。比例尺： 1 cm.

    圖5 （a）高強度磁性水凝膠拉伸照片；（b） 帶有中間預切口的高強度磁性水凝膠拉伸照片；（c） 帶有多個預切口的高強度磁性水凝膠拉伸照片； （d） 磁性水凝膠斷裂能。

    4.高強度溫敏水凝膠材料

    針對目前大部分溫度敏感型水凝膠的機械性能差，響應速率慢，不能滿足荷載承力柔性器件需求的現狀，陳詠梅課題組首次設計制備了具有高力學性能、快速響應且相轉變溫度可調節的溫敏水凝膠材料。該水凝膠由海藻酸鋁/聚N-異丙基丙烯酰胺構建互穿網絡，其中離子交聯的海藻酸鋁作為犧牲鍵在凝膠網絡體系中耗散能量以避免應力集中，低交聯的聚N-異丙基丙烯酰胺網絡賦予凝膠網絡良好的彈性，兩層網絡協同作用增強水凝膠力學性能。制備所得水凝膠壓縮強度高達~6MPa，拉伸強度最高達~350kPa，且拉伸倍率可達~10倍。與此同時，水凝膠體系中存在大量的鹽離子能夠降低聚N-異丙基丙烯酰胺的相轉變溫度，調節鹽離子的濃度可實現該水凝膠相轉變溫度的可控調節性。隨鹽離子濃度由0.1mol/L逐漸增大至0.7mol/L，水凝膠相轉變溫度由32°C降低至22.5°C。因此，在此基礎上構建了一種低溫快速響應的水凝膠驅動器，該驅動器在30°C水環境中40s內迅速達到~140°的彎曲角度，由驅動器構建的柔性機器抓手可在水中快速抓取物體（圖6）。該研究結果為高強度溫敏水凝膠材料的設計及其在柔性機械方面的應用提供了很好的借鑒作用及理論基礎。

    圖6 海藻酸鋁/聚N-異丙基丙烯酰胺水凝膠驅動器在不同環境溫度中彎曲角度隨時間的關系（a）及在水中抓取物體過程照片（b）。

    5.發光水凝膠

    光致發光凝膠材料已經成為應用于生物成像、藥物輸送、傳感器、光開關等許多領域的新型柔性材料。陳詠梅課題組將銥金屬配合物以及鑭系元素引入水凝膠中，制備了具有優良發光性能和細胞相容性的發光水凝膠材料。首先提出了一種通過簡便的擴散法制備得到基于陽離子型銥金屬配合物[Ir（ppy）2（dmbpy）]Cl和帶負電荷的水凝膠的新型發光水凝膠的制備方法。帶負電荷的水凝膠與帶正電荷的  [Ir（ppy）2（dmbpy）]Cl之間強的靜電相互作用促進了磷光分子在水凝膠網絡中的擴散，并形成了穩定的復合材料，即使在水中浸泡9個月水凝膠也具有良好的發光性能（圖7）（Macromol. Rapid Commun. 2012, 33, 1191-1196，封面論文）。

    圖 7 （a），（b），（c）[Ir（ppy）2（dmbpy）]Cl粉末的紅外光譜， （d） Eq–IrIII–PNaAMPS水凝膠浸泡9個月前后的磷光照片，（e） PNaAMPS水凝膠和 [Ir（ppy）2（dmbpy）]Cl分子之間相互靜電作用的示意圖（紅點：交聯點， 黃點： [Ir（ppy）2（dmbpy）]Cl

    然而，傳統發光水凝膠因機械性能較低而嚴重限制了其應用范圍。針對該問題，陳詠梅課題組設計了高力學性能的發光水凝膠，鑭系元素-海藻酸鈉/聚丙烯酰胺復合水凝膠材料。其中鑭系元素作為發光元素和物理交聯劑引入復合水凝膠中。該水凝膠具有多功能的優點，包括良好的發光性能，顏色可以通過采用不同的鑭系元素而調節，并可以根據實際應用需要制備成不同的形狀，可承受較大力學變形，良好的加工性能和細胞相容性，兆帕級抗壓強度、約20倍拉伸變形及高能量耗散（~9000 kJ m?3）（圖8）（Macromol. Rapid Commun. 2015, 36, 465?471）。上述制備復合發光水凝膠的方法具備以下優勢：（1）制備過程相對簡便；（2）水凝膠和發光材料組合具有多樣性；（3）發光材料的分子結構和性能在水凝膠網絡中得到保存，使發光材料的發光性能實現最大化。新型光致發光水凝膠有望拓寬水凝膠的使用范圍。

    圖 8 （a） 高強度發光水凝膠制備過程；（b） 高強度發光水凝膠SEM照片；（c） 高強度發光水凝膠打結、拉伸變形照片。

    6.水凝膠調控磁性納米粒子晶體生長

    針對水熱法、高溫分解法等方法雖可制備形貌可控的Fe3O4納米粒子，但因使用有毒試劑和有機溶劑易對環境造成很大污染，且需要高溫高壓等苛刻反應條件，不利于產物大規模制備以及在生物醫學環境等領域中的應用等問題。陳詠梅課題組借鑒趨磁細菌利用其磁小體囊泡內帶負電荷的蛋白質作為吸附富集鐵離子的位點，并將磁小體囊泡做為微反應器，在其體內原位合成出形貌高度可控的磁性納米粒子，以水凝膠三維網絡結構作為模擬趨磁細菌中合成Fe3O4納米晶體的微環境，首次實現了通過簡單溫和的共沉淀反應在水凝膠體系中原位制備得到負載一系列規則形貌的Fe3O4納米粒子的磁性水凝膠，并發現了水凝膠內部微環境調控Fe3O4納米粒子晶體生長的機理（Green Chem.2014, 16:1255-1261；ChemPhysChem.2016, DOI: 10.1002/cphc.201600117）。該制備過程采用無毒性的試劑以及廉價的Fe2+與Fe3+作為前驅體，操作簡單，避免了引入表面活性劑等影響生物材料細胞相容性的成分。SEM圖像中可以清楚地觀察到水凝膠內原位生成的Fe3O4納米粒子可具有規則的八面體，納米棒及納米針等形貌，高分辨TEM圖像可清楚的觀察到單個典型的Fe3O4納米粒子的幾何結構，分別為表面暴露{111}晶面的Fe3O4納米八面體以及沿著[211]晶向生長的Fe3O4納米棒及納米針（圖9）。此外，負載于水凝膠中的Fe3O4納米粒子仍然具有良好的擬過氧化物酶活性，不僅可用于檢測微量的過氧化氫，而且可作為新型高效污水處理材料實現陽離子型染料的快速降解處理。

    圖9 原位制備負載一系列規則形貌Fe3O4納米粒子的磁性水凝膠流程圖，水凝膠網絡中Fe3O4納米粒子的SEM圖像和單個Fe3O4納米粒子的高分辨TEM圖像。

    7.細胞培養支架

    高分子水凝膠是一種透明或半透明的軟、濕生物材料，因其含水量高（~90%），具有與生物體軟組織相似的模量（~kPa），內部的三維網絡結構有利于營養物質及代謝廢物的擴散，具有與細胞外基質相似的結構和性能，是一種良好的細胞培養支架材料。細胞在體外擴增、培養過程中所需支架材料作為組織工程中極其重要的一個組成部分，不僅關系到經擴增得到的細胞數目是否能滿足需求，而且還顯著影響細胞功能，因此，如何選擇合適的材料作為培養支架進行體外細胞培養擴增是亟需解決的問題。為了解決人體視網膜色素上皮細胞（retinal pigment epithelium, RPE）在體外培養時易于老化的問題，陳詠梅課題組開展了在高分子水凝膠支架表面培養RPE細胞的工作，并研究了水凝膠性能對RPE細胞氧化應激性能的影響。發現帶負電荷的水凝膠可以促進ARPE-19細胞擴增，并通過對細胞核和細胞骨架蛋白（F-actin）的染色表明細胞擴增生長為密集的細胞單層膜。通過測定不同彈性模量的水凝膠表面培養的ARPE-19細胞膜的活性氧簇（reactive oxygen species, ROS）發現，水凝膠的彈性模量顯著影響細胞的ROS。當水凝膠的彈性模量分別為5.0kPa和24.0kPa時，比在組織培養板表面培養的細胞的ROS分別低44％和50％，然而當水凝膠的彈性模量為169.3kPa時，與在組織培養板表面培養的細胞的ROS沒有顯著性差異（圖10）。可以推測低模量的水凝膠為ARPE-19細胞提供了更類似于其在體內的生長微環境，有助于細胞增強其固有的抗氧化防御功能（J. Biomed.Mater. Res. A 2014,102A: 2258-2267）。

    圖10 不同楊氏模量的水凝膠表面的RPE 細胞培養120h 后的形態。（a）、（b）、（c）：由DAPI 染色的細胞核。（d）、（e）、（f）：由羅丹明鬼筆環肽染色的F-actin。（g）、（h）、（i）：將細胞核及F-actin 染色疊加之后的結果。（j）、（k）、（l）：水凝膠表面培養細胞的縱剖面圖。（標尺：100μm）

    與二維培養體系相比，三維包埋細胞培養體系可以更好的模擬體內的微環境，利于實現細胞與細胞之間、細胞與基質之間的相互作用，從而使培養的細胞具有與體內相似的環境，因此在生物醫藥領域得到了廣泛使用。原位成型水凝膠可以在形成水凝膠的過程中直接包埋細胞，從而實現細胞的均勻包埋，并且可以按照需求制備出各種復雜的形狀，這些特性使得它廣泛應用于三維細胞包埋。然而，目前常規使用的原位成膠方法中，經常使用會產生細胞毒性的試劑（引發劑）及方法（紫外光，加熱），限制了它們在三維包埋中的應用。巰基-邁克爾加成反應是一種具有高選擇性、高反應效率的點擊化學反應，并且可以在生理條件下進行反應，這些特點使得其在制備三維水凝膠支架材料方面很有競爭力。陳詠梅課題組在生理條件下采用巰基-邁克爾加成反應，利用甲基丙烯酸縮水甘油酯修飾的葡聚糖（Dex-GMA）與二硫蘇糖醇（DTT）在生理環境下交聯制備得到了葡聚糖基水凝膠Dex-l-DTT。該凝膠的形成過程、力學強度、溶脹率及凝膠的微觀網絡結構均可以通過改變pH（7.0-7.8）而調節。使用該水凝膠體系，成功的實現了纖維細胞（NIH-3T3）及小鼠骨髓間充質干細胞（BMSCs）的三維包埋，并且包埋的細胞均保持了較高的活性，證明了水凝膠良好的細胞相容性。堿性磷酸酶染色（ALP）活性檢測表明了包埋的干細胞不僅保持了較高的活性，而且還具有分化能力（圖11）。易于調節的凝膠性質及良好的細胞相容性證明了Dex-l-DTT水凝膠作為細胞三維培養支架材料的應用潛力（Colloids Surf.B Biointerfaces, 2015, 128: 140-148）。基于上述研究基礎我們提出：作為組織工程用細胞培養支架材料，僅僅能促進細胞的生長還遠遠不夠，只有在其中培養的細胞具備與體內細胞同樣功能的材料，才在組織工程中具有應用價值的學術觀點。

    圖11 巰基-邁克爾加成反應制備Dex-l-DTT 水凝膠的過程示意圖和照片，細胞包埋過程示意圖以及包埋的BMSCs 分別培養在成骨培養液（OS）與普通培養液（Control）1, 3, 5, 7, 9 ,14 d 后的ALP 表達量。

    8.水凝膠導線

    在新型功能凝膠材料的設計制備方面，具有高拉伸性能柔性離子導電材料因可為任意彎曲，拉伸，壓縮，扭曲的柔性電子（flexible electronics）器件在變形為復雜的、非平面形狀的同時，保持良好的使用性能，可靠性和集成性提供關鍵技術儲備而得到了廣泛關注。陳詠梅課題組與哈佛大學鎖志剛教授合作，成功制備了同時具有良好導電性能、高拉伸性能、透明度高、并且電阻不隨應變而顯著變化的柔性離子導體（含有鹽的水凝膠和離子液體凝膠）及柔性器件。制備了具有良好拉伸性能、低彈性模量、良好導電性、高透明度、穩定性于一體的導電水凝膠和離子液體凝膠材料。采用導電水凝膠研制了柔性透明可拉伸導線，可代替耳機線播放音樂，即使拉伸十倍以上也可正常播放音樂（ExtremeMechanics Letters 2015,3: 59–65）

更多關于材料方面、材料腐蝕控制、材料科普等等方面的國內外最新動態，我們網站會不斷更新。希望大家一直關注中國腐蝕與防護網http://www.ecorr.org 

責任編輯：王元

《中國腐蝕與防護網電子期刊》征訂啟事
投稿聯系：編輯部
電話：010-62313558-806
郵箱：ecorr_org@163.com
中國腐蝕與防護網官方 QQ群：140808414