各向异性水凝胶的制备和应用

郝婉莹

(阳煤集团太原化工新材料有限公司，山西 太原 030000)

引 言

水凝胶是一类富含水的由三维交联聚合物网络组成的软材料。水凝胶具有类似于生物组织的富水软结构，有望在生物医学中得到广泛的应用[1-3]。如，水凝胶为细胞培养提供了平台，因此在基于干细胞的组织工程中发挥着关键作用[4]。此外，水凝胶被认为是人工器官有前途的替代品[5]。最近，关于聚合物网络结构的研究使得具有优异力学性能的水凝胶的合理设计成为可能，这使得实现再生医学应用的长期目标更加可能。

生物系统和合成水凝胶之间的相似性经常被强调，但值得注意的是它们的结构和性质有很大的不同。大多数水凝胶是通过聚合反应或在水介质中均匀溶解的分子组合而成，因此，合成的聚合物网络通常是各向同性的。相反地，许多生物系统具有明确的分层结构，这些结构在宏观长度尺度上具有各向异性，如，肌肉、皮肤和关节软骨。在生物系统中，各向异性在实现某些功能上往往发挥着至关重要的作用，包括传质、表面润滑和力的产生。一个典型的例子，肌收缩是肌动蛋白和肌球蛋白在肌肌节中各向异性排列的结果[6]。并且，培养介质的各向异性结构对细胞的增殖、迁移和分化有很大的影响。

考虑到这些方面，各向异性水凝胶无疑为探索水凝胶的仿生应用提供了一个很好的切入点。到目前为止已经报道了各种类型的各向异性水凝胶。为了制备具有各向异性微观结构的水凝胶，最常用的方法是在前驱体弥散中定向1D或2D纳米填料，并通过凝胶化过程固定各向异性结构[图1a)]。同时，最直接的方法是用一直能够各向异性的方法来固定聚合物网络的链的方向式[图1b)]。此外，当水凝胶具有管道状的空隙时，这些管道的单向取向也会使水凝胶呈现各向异性[图1c)]。本文对最近报道的各向异性水凝胶的合成、结构和应用进行了分类和讨论。

图1 各向异性水凝胶的分类

1 各向异性水凝胶的制备

各向异性水凝胶的合成一般采用方向刺激，如，机械力、磁场和电场、温度梯度和离子梯度等。本节介绍这些合成方法的范围和局限性，根据水凝胶的类型应选择合适的制备方法。

1.1 具有定向纳米填料的各向异性水凝胶

当分散在水介质中的纳米填料被剪切时，纳米填料倾向于使其长轴平行于剪切方向第17页图2a)。由此产生的定向结构不是永恒的，可以通过事先加入分散体的单体原位聚合转化为各向异性水凝胶[7-12]。通过水凝胶化固定结构也适用凝胶的物理聚集。剪切力取向由于其简单、容易，已广泛应用于合成含有各种1D或2D形状纳米填料的各向异性水凝胶，包括天然或合成肽纳米纤维、纤维素纳米纤维、表面活性剂双层、无机纳米填料等。由于这种方法的局限性，剪切力不能均匀地施加在厚试样上，加工过程中偶尔会出现重复性低的问题，特别是手工施加剪切力时。

电场还可以永久地使纳米填料取向或诱导偶极矩与外加电场平行排列。各向异性水凝胶是由电定向分散体原位水凝胶合成的[图2b)]。特别是，微模式电极使定向纳米填料在水凝胶薄膜中的精确定位成为可能，从而提供其他方法通常难以获得的分层结构。需要注意的是，电场可能会引起不需要的电化学分解和电泳。为了避免这些问题，往往需要对电压、电流频率、试样厚度等条件进行优化。到目前为止，电定向法已经被用于合成含功能化碳纳米管、黏土纳米片、纳米银线、丝纳米纤维、和钛酸钡颗粒的各向异性水凝胶[13-15]。

与电场类似，磁场可用于制备各向异性水凝胶，其中，纳米填料的磁化轴与外加磁场平行或反平行[图2b)]。与剪切力和电场不同，磁场可以以非接触、非破坏性的方式施加，并且可以深入均匀地渗透到试样中。因此，磁性取向很容易应用于制备厚度较大或尺寸较大的体积各向异性水凝胶。当纳米填充物是铁磁性或顺磁性的，甚至是手持式的强度小于1T的磁铁场均可以有效地定向这种纳米填料。如，磁铁矿颗粒、钡铁氧体和羰基铁以及镍棒和磁性涂层氧化铝片晶。虽然这种弱的手持式磁体一般不足以定向抗磁性纳米填料，但超导磁体[16-18](强度达几特斯拉)可以有效地定向它们，如，肽纳米纤维、多糖、功能化碳纳米管、胶束、脂质双层、石墨烯氧化物、无机纳米薄片等。近年来，超导技术的进步使得这种强磁体易于获得，这种方法得到了广泛的应用。

即使在没有方向刺激的情况下，一些高纵横比的纳米填料在其水分散体的过滤过程中也会自发地进行定向，从而形成各向异性水凝胶。在这种情况下，取向是由纳米填料的固有特性引起的，即使其长轴平行于固液界面。

图2 各向异性水凝胶的制备方法

1.2 具有定向聚合物链网络的水凝胶

为了合成具有定向聚合物链网络的水凝胶[图1b)]，必须对未捆绑的聚合物链进行定向，这些聚合物链太小，无法对剪切力、电场和磁场的方向刺激作出反应。这里最常见的方法是机械变形凝胶网络。当由简单的聚合物链网络组成的各向同性水凝胶被单向压缩或拉伸时，凝胶网络相应地发生各向异性变形[图2c)]。可以通过原位聚合来固定由此引起的时间各向异性，从而得到各向异性水凝胶。在某些情况下，由于体系的塑性性质，压缩或拉伸引起的变形不发生原位聚合而保持原位不变。由于该方法的局限性，作为前驱体的各向同性水凝胶必须承受较大的力，才能使凝胶网络发生足够的变形。

作为一种替代方法，定向离子扩散也可以制备定向聚合物链网络的水凝胶[图2d)][19-22]。通常，容器中充满阴离子聚合物的水溶液，容器的一端与含有多价阳离子的水溶液接触，使阳离子定向扩散。随着扩散的进行，阴离子聚合物链呈各向异性交联，形成具有定向聚合物链网络的水凝胶。各种阴离子聚合物被用作这种网络的组成部分，包括多糖、海藻酸、海藻酸葡聚糖和合成的聚(磺酸)。如，Ca2+、Zn2+、Cu2+、二价离子等作为它们的对应阳离子被使用。尽管这一合成过程简单，但扩散方向与聚合物链取向之间的关系尚未得到明确的阐述。此外，合成的水凝胶的交联密度是不均匀的，沿扩散方向呈梯度分布。

1.3 具有定向空腔通道的水凝胶

以定向生长的冰晶为模板可以合成具有定向空腔通道的水凝胶[图1c)][23-24]。当装满单体水溶液的容器从一端缓慢浸入液氮浴中时，单体集中在非晶区域，冰晶从浸入端单向生长。这些结构域内的单体可以高效聚合，冰晶作为多孔结构的模板[图2e)]。合成的水凝胶具有与冻结方向平行排列的微米级通道。由于通道相对较宽(几微米)，因此生成的水凝胶是半透明的，且不均匀。不仅可以利用冰晶，而且可以利用醋酸钠晶体在室温下定向生长，作为定向空腔通道的模板。该方法合成的水凝胶往往表现出显著的各向异性。

1.4 具有各向异性微组装结构的水凝胶

本文主要介绍了自底向上方法合成的各向异性水凝胶。然而，最近的以光刻和3D打印为代表的自顶向下微加工技术也可以制备出与上述方法类似的具有复杂微观结构的水凝胶[25]。尽管可伸缩性始终是个问题，但自顶向下的方法有时比自底向上的方法更具可编程性。

在光刻法制备中，含有单体和光引发剂的母水凝胶通过光刻掩膜暴露在光下，使聚合发生在选定的区域，具有较高的定位精度。不同单体的分步光聚合可形成相互叠加的具有复杂多微结构的各向异性水凝胶。

水凝胶3D打印技术可用于制备复杂形状的水凝胶。水凝胶前体油墨必须柔软，便于注射，但要保持其形状，必须能够独立，并能在光辐照等刺激下迅速凝胶化。当水凝胶前驱体包含高纵横比的纳米填料(如，纤维素纳米纤维)时，前驱体从打印机喷嘴挤出，纳米填料可以通过剪切力定向[26]。因此，可以得到独特的层次结构。

2 各向异性水凝胶的应用

许多天然组织都具有定向结构，如，肌肉、肌腱、神经、关节软骨、韧带、脊髓等，这与它们的生理和机械功能密切相关。在本节将讨论所选的各向异性水凝胶，在机械、驱动、传质、细胞培养和电导率等方面表现出的独特性能。

2.1 各向异性的机械性能

在过去的二十年中，已经开发出了许多机械韧性水凝胶，如，双网型、滑环型、黏土纳米复合水凝胶等。之后，机械各向异性成为该领域的一个重要挑战。评估水凝胶的力学各向异性的参数叫做各向异性系数，分别测量其平行于水凝胶方向和垂直于水凝胶方向的物理性质(弹性模量、最大断裂应力、应变、断裂能量等)，两个方向的物理参数之比称为各向异性系数。

含有各向异性取向的一维和二维纳米填料的水凝胶也倾向于表现出机械各向异性。由于各向异纳米填料与凝胶网络之间的非共价吸引相互作用，以各向异性的方式使得交联点的数量增多，因此这种各向异性纳米填料通常用作水凝胶的增强剂。所以，强化优先发生在纳米填料的长轴上。如，Shikinaka等报道了一种含有剪切流导向柱状无机黏土纳米管的水凝胶在拉伸试验中表现出3.0的模量各向异性。同样，西田文雄等报道了一种含有定向胶原纤维的水凝胶，经滚子剪切后，其模量各向异性可达7。

关节软骨一直被认为是机械各向异性材料的理想模型。其优异的力学性能源于静电斥力，静电斥力在其组分(蛋白聚糖)之间各向异性作用，使接触关节组织的界面机械摩擦即使在高压缩下也能得到润滑[27-28]。这种设计策略与大多数基于吸引力的合成固体材料的设计策略形成了对比。受关节软骨设计的启发，Ishida、Aida等开发了一种带有钛酸盐离子纳米薄片的水凝胶，它具有磁性。与其他氧化物纳米片不同，钛酸盐纳米片与外加磁场垂直排列，形成纳米片的共面排列，可产生最大的静电斥力。在水凝胶中，各向异性静电斥力使摩擦沿一个方向衰减，同时增强与该方向正交的材料，导致力学各向异性;剪切和压缩试验的模量各向异性分别为4.3和2.6。由于这种特殊的力学各向异性，水凝胶在平行于纳米薄片的振动方面表现出良好的性能。

2.2 各向异性的驱动性质

人工肌肉是材料科学的一个长期目标，水凝胶致动器被认为是最有前途的选择[29]。当以响应外力的聚合物合成水凝胶时，周围水溶液(如，温度、pH值、化合物浓度)的变化会引起聚合物链的构象转变，导致凝胶网络的膨胀和收缩，进而引起水凝胶体积的变化。基于这一机理，目前已开发出许多水凝胶致动器。其中，聚(n-异丙基丙烯酰胺)(PNIPA)是该类水凝胶致动器中研究最为频繁的构件，在32 ℃左右的水中，其相变剧烈且可逆[30]。

由于大多数水凝胶致动器在结构上是各向同性的，所以它们的体积变化在各个方向上都是一致的。这不适用于在一个特定方向上获得最大的力和(或)位移。要解决这个问题，一个简单的方法是使用机器工程技术。例如，双晶结构可以通过弯曲变形将小体积变化放大为大位移。虽然双晶结构的变形仅限于简单的弯曲，但最近的自顶向下的技术，如光刻和3D打印可以实现复杂的或程序化的变形。另一种方法是使用内部各向异性微观结构，这种方法是自顶向下方法的补充，对于下一代水凝胶驱动器的创建是不可缺少的。

在一项基于内部微观结构的各向异性水凝胶致动器的开创性研究中，Sun等开发了一种PEG-PNIPA杂化水凝胶。利用冰晶的定向生长，在peg基水凝胶的定向沟道状空隙中形成了基于PNIPA的热响应网络。混合水凝胶加热20 ℃～45 ℃后发生各向异性收缩，在正交于定向通道的方向上，水凝胶收缩了50%，而沿着通道的收缩只有5%。这表明，基于PEG的支架在平行于通道的方向上限制了PNIPA网络的收缩。为了实现更复杂的变形，结合双晶结构和各向异性的微观结构是一种非常有效的方法，Studart等证明了这一点。他们使用含有磁性取向氧化铝片晶的纤维素或PNIPA基水凝胶条作为双形态的成分，由于氧化铝片晶被超顺磁性氧化铁纳米颗粒以最佳比例覆盖，因此即使在非常弱的磁场(110 mt)下，它们也可以定向。氧化铝片晶的方向双晶水凝胶的上、下条带不同，导致其变形形态不同。通过系统地调整上下条带中片晶的取向角，对双晶型的变形模式进行编程，使其发生卷曲和左右扭转。

Mahadevan、Lewis等利用3D打印技术成功开发出可编程仿生水凝胶致动器。如上所述，由于水凝胶前体中加入的纤维素纳米纤维在3D打印过程中是剪切取向的，因此水凝胶在微观结构上是各向异性的。当不同方向的水凝胶接触时，它们形成类似于双金属恒温器的结构。利用水凝胶的固有参数，如膨胀应变和弹性模量，可以对组合后的弦的变形进行预测和设计。随着膨胀程度的改变，水凝胶发生了各种程序性的变形，包括花的开闭样运动。Kumacheva等利用光刻技术将平面水凝胶片转化为多个不同形状，其中涉及到聚合物组成不同的多个域。水凝胶片在受到各种刺激(如，pH值、离子浓度和温度的变化)后发生膨胀和收缩，表现为平面、螺旋、圆柱、弯曲和鼓形等不同形状。

水凝胶致动器通常是通过其体积的变化来操作的，这涉及到水的吸收和释放。由于水凝胶表面输运缓慢，该机制存在驱动慢、重复性低、工作条件范围窄等局限性，通常仅在水中进行。2015年，Ishida、Aida等研制出一种各向异性水凝胶致动器，该致动器通过开发一种前所未有的机制，即调节内部静电斥力，解决了上述问题。水凝胶由含有磁性取向钛酸盐纳米薄片的PNIPA网络组成，在较低的临界溶液温度(LCST)以上加热时，PNIPA网络发生脱水，释放大量自由水分子，导致共面取向纳米薄片之间的静电斥力陡增。因此，水凝胶在1.5 s内沿垂直于纳米板平面的方向膨胀了170%。冷却后1.5 s内发生了相反的变化。这些变形是等容的，不涉及水的吸收或释放，因此即使在户外也可以快速操作。利用该系统的可编程性，作者利用倾斜几何形状的共面二维电解质纳米薄片还演示了一个水凝胶物体的单向处理运动。

2.3 各向异性的传质性能

由于水分子内部具有半流体性质，水凝胶允许小分子在水凝胶基质中扩散和渗透，通过凝胶网络的结构和性质可以合理调节水凝胶的扩散和渗透速率。这些特性使水凝胶成为各种生物医学应用的有希望的材料，包括作为膜、药物载体和组织工程的支架。基于这些方面，水凝胶的各向异性扩散问题无疑引起人们的广泛关注。

在一项开拓性的研究中，Schmidt、Finkelmann等报道了在含有磁性取向层状溶性液晶的水凝胶中各向异性水扩散。溶解性液晶由水(约60%)与PEG链和芳香基团(约40%)组成的可聚合双亲分子(约40%)混合而成。在磁场的作用下，液晶层垂直于所施加的磁场，随后两亲体的原位聚合制备了目标水凝胶。采用脉冲场梯度技术进行核磁共振波谱分析，确定水凝胶中水分子沿液晶层法线平行和垂直方向的自扩散系数分别为0.4×10-10m2s-1和5.3×10-10m2s-1。水扩散的各向异为13，说明在层间扩散优于沿层扩散。基于同样的技术，观察到水分子在另外两种水凝胶中的各向异性扩散，一种是含有磁取向六边形柱状溶性液晶的水凝胶，另一种是多糖硼砂水凝胶，多糖硼砂水凝胶被机械压缩以进行各向异性诱导。

核磁共振波谱可以用来定量评价介观尺度上扩散的各向异性，而宏观尺度上的各向异性则可以通过监测染料分子的扩散来实现。例如，Sun等报道了一种具有定向沟道状空隙的PEG基水凝胶中，染料分子即使在厘米尺度上也具有高度方向控制的扩散，这是一种典型的力学各向异性水凝胶。如2.1所述，该凝胶含有直径为1 050 mm的定向通道。当染料(罗丹明B)的水溶液滴在水凝胶表面时，染料优先通过通道扩散。Zhang和Barrow也做了类似的实验，他们从甲基丙烯酸低聚糖(乙二醇)中合成了一种具有定向沟道状空隙的水凝胶。

虽然染料扩散实验直观地反映了扩散的各向异性，但不是定量的。最近，Liu等报道了利用扩散隔膜细胞定量分析各向异性水凝胶的渗透过程。横膈膜由一个供体腔室和一个受体腔室组成。供体腔室中充满了一种模型药物的缓冲溶液(如，肌酐、维生素B12、细胞色素c或牛血清白蛋白)。用含有磁性氧化铁纳米颗粒的各向异性PVA基水凝胶将这些分隔开，根据紫外吸收监测的受体室模型药物浓度随时间的变化，确定各模型药物的渗透系数。对于所有药物，平行于定向氧化铁纳米颗粒的渗透率大约是垂直方向渗透率的两倍。考虑到氧化铁纳米颗粒在外加磁场下的潜在重定向能力，这种水凝胶有望成为具有可切换渗透和扩散特性的生物膜和药物载体。

2.4 各向异性的细胞培养

水凝胶为再生药物、体外组织模型和药物输送载体提供了有前途的支架，因为它们很好地模拟了天然细胞外基质的富水、柔软和生物相容性环境。各向异性水凝胶是一种较先进的细胞培养基，因为其定向的微观结构可以影响细胞的行为，如黏附、增殖和分化。近年来，越来越多专为细胞培养应用而设计的各向异性水凝胶得到报道。

Stupp等报道了由剪切取向的多肽双亲和丝组成的各向异性水凝胶中的细胞排列。将两亲性肽的水溶液从移液管中挤压到含盐介质中，形成面状水凝胶线，其中，两亲性肽的纳米纤维剪切方向可达厘米级。水凝胶可以容纳间充质干细胞，以添加到肽双亲的前体溶液。在合成的水凝胶中，胞体和丝状伪足被重新定向平行于肽双亲纳米纤维。同样，心肌细胞也被包裹在水凝胶串中。10 d后，细胞的动作电位可检测到，并在整个宏观结构中传播，提示心脏连续合胞体的形成。该研究组还成功地将平滑肌细胞包裹在类似的各向异性水凝胶中，制备成适合动脉细胞支架的管状。同样，Nazhat等使用剪切型胶原水凝胶定向培养成纤维细胞间充质干细胞。定向离子扩散合成的各向异性水凝胶也是独特的细胞培养基。Weidner等使用各向异性的藻酸盐Ca2+水凝胶定向控制轴突的再生。值得注意的是，各向同性水凝胶支架不能纵向再生轴突。

各向异性导电水凝胶可作为生物相容电极和导体应用。特别是近年来，其作为智能细胞培养基的应用备受关注，在智能细胞培养基中，细胞可以受到电刺激。Matsue、Khademhosseini等报道了一种甲基丙烯酸凝胶基水凝胶，它含有碳纳米管(CNTs)，通过施加电场，碳纳米管呈各向异性取向。水凝胶的导电性各向异性约为40。作为骨骼肌细胞生长的培养基，垂直方向的CNTs水凝胶比随机方向和水平方向的CNTs水凝胶提供了更多的功能性肌纤维。另外，在定向的碳纳米管上施加电刺激可以促进细胞生长。这样的电刺激也增强了小鼠胚胎体的心脏分化。

作为一种更加面向工程的方法，Tang、Dokmeci等还报道了一种含有定向碳纳米管微电极的水凝胶。在催化过程中，将硅片上的铁颗粒微图案生长成碳纳米管，然后将其整合成双形态水凝胶。然后,在水凝胶上培养心肌细胞，得到细胞水凝胶杂交，细胞组织均匀，细胞间偶联增强，成熟程度可达厘米级。因此，该混合材料对集成的碳纳米管微电极阵列提供的外部电场进行控制驱动。值得注意的是，激发阈值高度依赖于外加电场的方向；平行电场对CNTs(0.8 V∶0.03 V)的阈值比垂直电场(3.7 V∶0.3 V)低5倍，因此各向异性导电水凝胶为组织再生和细胞治疗提供了非常有希望的平台。

3 结语

越来越多的报道表明，各向异性水凝胶无疑已成为最重要的一类软材料。它们的合成和表征现已建立，并实现了与生物系统类似的各向异性性能，如，机械韧性、驱动、质量输运和细胞培养的使用。然而，对于它们潜在应用的研究，我们才刚刚起步。应该在以下方面进行进一步研究。

1) 通过自底向上和自顶向下合成方法的组合，制备分层集成的各向异性水凝胶；

2) 梯度结构各向异性水凝胶的合成；

3) 水凝胶与包括有机凝胶在内的其他材料的各向异性杂交；

4) 具有化学燃料的自主水凝胶制动器；

5) 在各向异性水凝胶里的三维细胞培养。