纤维素基水凝胶的研究进展

沈娟莉，付时雨

（华南理工大学制浆造纸工程国家重点实验室，广东 广州 510640）

水凝胶是一种具有亲水聚合物链的三维网络结构材料。水凝胶交联形成高保水的性能。水凝胶的应用可以追溯到1960年，Wichterle和Lim首次引入了交联聚(2-甲基丙烯酸羟乙酯)的亲水性网络作为软性接触材料。水凝胶具有可调的物理、化学和生物特性，以及高生物相容性和多功能性制造。此外，由于它们能够保存大量的水，而且柔软如橡胶，与活组织非常相似，因此非常适合在吸附、农业、柔性材料、制药和医疗等领域中应用。

市场上绝大部分水凝胶的基本原料是化石基聚合物。因此，废弃水凝胶对环境存在着较大的压力。水凝胶生产需要消耗大量不可再生资源，水凝胶废弃物不易被降解，从而对环境带来危害。为了减少对化石原料的依赖，以及保护环境，学者们将目光锁定到了可降解的天然聚合物。在天然聚合物中，由1,4-葡聚糖重复单元组成的纤维素，是地球上最丰富的可再生生物聚合物，它可具有高结晶度，高弹性模量，可用于材料增强；它亲水性强，可制备生物可降解高吸水性材料。

目前，纤维素由于原料成本低、可加工性强、强度高、生物相容性好、生物可降解性好等优点，获得广泛应用。对纤维素的化学和物理性能进行改造，可以提高其亲水性、机械强度、疏水性、耐热性、抗菌活性等。如图1所示，纤维素的羟基改性后具有多种基团，这些基团有利于纤维素的交联制得纤维素基水凝胶。

图1 纤维素及其衍生物的化学结构[5]

如图2所示，纤维素基水凝胶的交联方式主要分为化学交联和物理交联。物理凝胶是分子通过离子键或氢键等物理相互作用自组装而成，而化学凝胶是通过共价键形成的。目前常用的水凝胶物理交联的方式可分为氢键作用、疏水作用、离子力作用、主客体作用等，而化学交联大致有酯化交联、自由基共聚合、动态共价键交联、“点击化学”交联、Michael 加成、环氧化物和卤代烷交联。纤维素基水凝胶由于具有可降解性、生物相容性、亲水性、刺激响应性、吸附性能、柔性被应用在许多行业中。本文综述了纤维素基凝胶现有的物理、化学交联方法以及在多个领域中的应用。

图2 纤维素基水凝胶的交联形式及应用领域

1 纤维素基水凝胶的制备

纤维素基水凝胶主要通过化学、物理或两种方法协同进行制备。化学交联法形成的水凝胶比物理水凝胶表现出更多的凝胶性和溶胀性。化学反应导致聚合物网络中的永久性连接，而物理反应是可逆的。化学交联水凝胶具有更好的力学性能和稳定性，是制备水凝胶的有效和常规方法。物理交联水凝胶也具有许多优点，例如不使用有毒的交联剂、容易降解和自固化等。由于没有使用有毒交联剂，物理交联水凝胶被广泛应用于医学和制药领域。

1.1 物理交联纤维素基凝胶

物理交联水凝胶是由聚合物链的物理纠缠或其他非共价相互作用（包括氢键作用、主客体作用、疏水作用、离子力等）连接在一起的亲水聚合物网络，具有无毒、可重复使用和可持续的特点，是一种相对环境友好的凝胶制备方法。

1.1.1 氢键作用

氢键被认为是形成和稳定生物系统层次结构的关键，也是构建和增韧生物水凝胶最重要的物理相互作用之一。尽管单个氢键的作用相对较弱，但多个氢键可以协同引导构件组装成复杂的结构。氢键的动态特性使它们在材料变形过程中断裂和重组，能有效地耗散能量，赋予纤维素基材料以特殊的强度、韧性和回弹性。纤维素有很强的分子间和分子内氢键，使它不溶于水和最常见的有机溶剂。纤维素分子上的羟基和立体调控的链构象，可使其在分子间和分子内形成强大的氢键网络，这为制备纤维素水凝胶提供了机会。如图3所示，Zhao等采用水溶性原子AgNCs(NH)[Ag(CHSO)]和纤维素纳米晶（CNCs）自组装法制备了超分子水凝胶。Ag-NCs 与CNCs 之间形成了强氢键，强氢键的相互作用增强了纳米复合材料的力学性能、热稳定性和自愈合能力。Wang 等将蒙脱土纳米片（MMTNS）引入羧甲基纤维素-壳聚糖体系中，合成了结构稳定、染料处理量高的多孔水凝胶吸附剂。MMTNS 边缘上的Al—OH 与壳聚糖（CS）上的—NH形成氢键（—OH···NH—），CS 通过酰胺化和链交错与羧甲基纤维素（CMC）形成三维水凝胶。该水凝胶具有高效吸附去除亚甲基蓝（MB）的效果。吸附机理归因于离子交换、羧基和羟基基团结合及Si活性位点反应。

图3 通过自组装Ag9-NCs和CNCs形成各种形式的银纳米团簇/纳米纤维素复合材料的示意图[24]

1.1.2 分子间力作用

纤维素衍生物所含的疏水基团，由于其疏水作用而发生聚集，使得分子链生成分子内与分子间作用力，从而生成纤维素基水凝胶。在到达某一临界浓度后，纤维素衍生物的大分子链通过疏水缔合作用聚集，形成一种以分子间缔合为主要凝聚力的超分子结构（动态物理交联网络）。Fredrick等制备了一种凭借疏水性相互作用实现物理交联的多糖水凝胶。主要将疏水的部分二辛胺接枝到亲水前体羧甲基纤维素（CMC）上，使CMC 中的羧基与二辛胺反应形成酰胺键，合成的水凝胶是具有广泛应用前景的生物医学材料。Okubo 等利用疏水改性羟丙基甲基纤维素（HM-HPMC）和环糊精（CD）之间的宿主-客体相互作用，开发一种热响应性可注射的药物缓释水凝胶。由于大多数以纤维素为基础的水凝胶是柔软而易碎的，因此强韧性水凝胶的设计是许多学者研究的方向，Chen团队采用聚丙烯酰胺（PAM）/甲基纤维素（MC）水凝胶在渗透溶液中简单浸泡制备了一类强韧性水凝胶。偏渗透性离子能显著增强MC的疏水相互作用和链束。据合理推测，MC 基水凝胶在这些渗透性溶液中浸泡时，首先由于盐析效应发生脱水。脱水后，一些原本被水占据的活性基团在具有疏水取代基团的分子之间形成疏水缔合，力学性能的提高可归因于甲基纤维素网络中形成了更多的疏水缔合物。此外，为了克服盐对水凝胶力学性能的不利影响，Zhang等提出了一种简便的双交联合成盐增强韧性水凝胶的方法。如图4 所示，在二甲基甲酰胺（DMF）/水溶液中，丙烯酰胺（AAm）和甲基丙烯酸六氟丁酯（HFBMA）以,'-亚甲基双丙烯酰胺（NMBA） 为交联剂共聚，制备了P(AAm--HFBMA)水凝胶，然后DMF被水取代。其机械强度表现出独特的增盐趋势的主要原因可以解释如下：P(AAm--HFBMA)水凝胶在盐溶液中浸泡后，随着小分子盐的渗透，网络逐渐瓦解。因此，由于C—F基团之间的疏水相互作用可切换，疏水的C—F单元容易形成动态交联连接，这使得P(AAm--HFBMA)水凝胶在盐溶液中具有更有效的动态能量耗散机制。经过研究发现，疏水改性的水凝胶由于加入疏水基团而具有一定的耐盐性和良好的盐稠化性能，这是由于盐的引入导致网络内链缠结的结果，但水凝胶的体积和含水量明显小于纯水。该发现可以进一步被研究并运用到水力压裂技术（将水凝胶材料注入油气储层，进行水力碎裂，释放油气）。水凝胶在该领域的应用往往面临盐对水凝胶材料的力学性能和溶胀性能的不利影响，尤其是最常见的一价盐钠或钾盐。

图4 P(AAm-co-HFBMA)水凝胶结构设计示意图

1.1.3 离子力作用

离子交联也称离子键聚合，是分子中通过离子键交联的一种有机高分子化合物。聚电解质和带相反电荷的多价离子键合时形成的物理交联型水凝胶又称为离子交联水凝胶，而带相反电荷的两种聚电解质相互作用形成的物理交联体系则称为聚电解质复合物。绝大多数纤维素以及其衍生物带有电荷，这有利于纤维素基水凝胶的离子交联。Masruchin等诱导带负电荷的CMFs 与带正电荷的金属离子（Al）之间的离子相互作用而制备得到水凝胶，研究了超声处理对超分子纤维素微原纤维（CMFs）特性和释药行为的影响。如图5 所示，Janarthanan等利用简单的席夫碱原位凝胶反应和离子相互作用合成了一种具有生物相容性的三维打印生物材料墨水-羧甲基纤维素-乙二醇壳聚糖（GC）水凝胶。水凝胶的稳定性大致与阳离子和阴离子侧链之间的亚胺键和离子相互作用有关。Chen等也提供了一种简单的方法，通过将CMC 引入PAA/CMC-Fe-S以及简单的NaCl 溶液浸泡策略将复合水凝胶转化为高机械性水凝胶。浸泡后，水凝胶具有高拉伸强度、强弹性模量和良好的自愈性能。—COO/Fe离子配位网络、PAA 共价网络、高网络密度和链缠结的共同作用形成了PAA/CMC-Fe-S 水凝胶。当施加外部负载时，可逆的物理离子相互作用作为牺牲键，通过破裂耗散能量，当重新连接时自愈。众所周知，通过四甲基六氢吡啶氧化物（TEMPO）氧化可得到CNFs，并将其应用于添加各种阳离子（一价、二价和三价）的可调水凝胶的制备。阴离子羧酸基团（氧化过程）和阳离子金属盐形成离子交联，形成牢固的水凝胶。事实证明，这些水凝胶即使在没有化学交联剂的情况下也能形成稳定的结构。如前所述，席夫碱反应简单，不涉及任何有害的引发剂；然而，在水中，亚胺键容易水解，水凝胶结构可能变得不稳定。这些席夫碱反应使人们避免了化学交联剂的毒害，如甲醛、戊二醛、碳二亚胺等，这些在组织工程应用中极其重要，具有进一步研究的价值。

图5 羧甲基纤维素-乙二醇壳聚糖水凝胶[31]

1.1.4 主客体作用

主客体相互作用一般是指两种或两种以上的分子单元，通过自组装得到有序的复合物。它是一种具有高度选择性、特殊的电子及空间效应的非共价相互作用。主客体相互作用中常见的主体分子一般有葫芦脲、杯芳烃、柱芳烃、冠醚、环糊精等。主体分子具有特殊的环状空腔结构，当遇到与分子、尺寸和亲疏水性均相匹配的客体时，主体分子能够形成相应的包合物。这也使得主客体作用驱动的凝胶一般具有进行特异性的分子识别的能力。与其他物理凝胶相比，主客体作用驱动的凝胶通常对刺激更为敏感。

在主客体作用的水凝胶中，环糊精是一种具有广泛可用性、可持续性、生物相容性和可降解性等优点的高分子材料，尤其具有与疏水性物质的包封能力。由环糊精及其客体分子组成的主客体相互作用有望表现出优异的性能，因为主客体复合物的超分子键合有望比典型的非共价键，如氢键和范德华力等在水中的相互作用更强。离子强度对配合物的影响也小于离子键合。CD由-1,4相连的吡喃葡萄糖亚基组成，是天然合成的具有一定大小疏水内腔和亲水外表面的环状寡糖，可容纳疏水物质以提高其亲水性。它们是著名的有吸引力的宿主分子，通过超分子组装，在它们的腔内包括各种有机客体分子。CD 复合物和客体分子通过范德华力、氢键和疏水作用等多种分子间相互作用在水中自组装。通过主客体相互作用，构建了具有三维双网络结构的水凝胶。在制备纤维素基水凝胶时，CD 或CD 的衍生物以化学方式连接在纤维素链、纤维素衍生物或CNCs等材料表面充当宿主。形成这些主客体相互作用的材料被应用于许多领域，如可逆黏附、驱动器、自愈材料、药物传递系统、吸附剂材料和催化剂。

由于水凝胶缺乏机械强度和韧性，通常限制其在生物医学和工业领域的应用。为此，Sugawara团队制备了一种以-环糊精（-CD）为主体分子和金刚烷（Ad）为客体分子通过超分子键合的复合水凝胶，将引入纤维素纤维/聚合物基体界面，以提高机械强度和韧性。复合材料凝胶的力学强度和韧性均因纤维与基体之间的界面主客体相互作用而得到提高。Yang等通过静电和主客体相互作用制备了环糊精接枝纤维素水凝胶珠（CD@HEC-CMC-gel），可以将布洛芬（IBU）封装在CD@HEC-CMC-gel 中以评估IBU 的组装和释放能力。Han等将羟乙基纤维素（HEC）和改性壳聚糖（HACC）交联，制备了一种球形生物聚合物笼。HACC的存在提供了一个正电荷核心来吸引磺基丁醚-环糊精（SEB--CD）的负宿主分子。通过主-客体相互作用，聚丙烯疏水分子能在制备的水凝胶中快速吸附并在水溶液中缓释。通过离子交换作用，研究不同负离子对SEB--CD的控制释放，达到疏水客体分子快速释放的目的。如图6 所示，Tsuchiya 等报道了基于宿主-客体相互作用的超分子生物复合水凝胶，使用柠檬酸修饰的纤维素（CAC）与客体单位形成钙离子（Ca）配合物[-αCD/-AADA/CAC(z)/Ca(m)]。CAC比TEMPO氧化纤维素有更多的羧基，这对Ca络合物的形成是必要的。因此该材料比常规超分子水凝胶具有更好的力学性能。基于主客体相互作用的超分子水凝胶比化学交联的水凝胶具有更好的韧性，主客体相互作用最适合于超分子水凝胶的发展。

图6 柠檬酸修饰的纤维素（CAC）与客体单位形成钙离子配合物[p-CD/p-AADA/CAC(z)/Ca2+(m)]原理[49]

1.2 化学交联纤维素基凝胶

化学水凝胶或不可逆水凝胶主要是通过共价交联得到的。聚合物链间的共价键是利用多功能分子组成的，也可以是聚合后通过链上的支链或侧链反应形成的。羟基和羧基是纤维素以及其衍生物中最常用的活性基团。这些活性基团可用于纤维素凝胶的交联制备，典型的化学交联反应概述如图7所示。

图7 合成纤维素基凝胶和微凝胶的典型化学反应[18]

1.2.1 酯化交联

通过羧基与羟基进行酯化交联的方法已被用于纤维素水凝胶的制备。酯化反应中的羟基可以来自纤维素及其衍生物上的羟基，如羟乙基纤维素（HEC）、羟丙基纤维素（HPC）、羧甲基纤维素钠（CMC） 等。羧基的来源是纤维素衍生物（如CMC）或者其他多糖，如透明质酸（HA）和海藻酸盐、二羧酸化合物、多元酸甚至是合成的多羧基聚合物，如聚丙烯酸（PAA）和聚甲基丙烯酸（PMAA）。所得的水凝胶具有生物可降解性，对离子强度和pH 敏感，并且表现出较高的持水能力。Senna 团队以乙酸纤维素（CA）为原料，在三乙胺催化下与乙二胺四乙酸二酐（EDTAD）进行酯化交联，得到了取代度（DS）为2.5的生物可降解水凝胶（HEDTA）。HEDTA 是一种优良的缓释保水基质，是肥料淋溶的减速剂，无毒，可生物降解，对环境友好。Kono 等在由LiCl 或TBAF（四丁基氟化铵）盐和极性、非质子溶剂（如TBAF/DMSO、LiCl/DMAc 或LiCl/NMP）组成的均相溶剂体系中，以温和的反应条件通过与1,2,3,4-丁四羧酸二酐（BTCA）简单酯化交联，制备出高吸水性水凝胶。在这些溶剂体系中，BTCA 分别通过双酯键和单酯键形成交联和接枝。水凝胶的结构主要取决于BTCA与纤维素的比例以及作为反应介质的均相溶剂体系的性质。该交联方法具有操作效率高、反应性温和、副产物易于分离、与材料的相容性好等优点。

1.2.2 自由基共聚合

自由基聚合是纤维素基水凝胶最常用的方法，它是由亲水单体与多功能交联剂反应生成的。自由基聚合是一个涉及反应引发、聚合链扩展和终止的三步反应过程，主要是单体在光、热、辐射、引发剂的作用下被活化成为自由基，再与单体连锁聚合形成聚合物。反应的结果是聚合链的形成和扩展。交联聚合物链给这些聚合物一个三维聚合网络。最后，通过结合或歧化反应终止了这一步反应。纤维素及其衍生物与水溶性单体的接枝共聚被认为是在纤维素主链中引入可离子化或其他极性基团的一种简便方法。例如，羧甲基纤维素钠（CMC）是一种线型的高分子量多糖，是纤维素的衍生物。Bhattacharyya等以丙烯酰胺（AM）和甲基丙烯酸羟乙酯（HEMA）为原料，在CMC 水溶液中进行自由基共聚，合成了半互穿网络水凝胶（IPN）。在CMC存在下，以氨基甲酸乙酯和血红素自由基共聚合成了互穿网络凝胶。共聚交联剂NMBA也参与了聚合反应。反应是通过自由基机制发生的，这些单体即AM、HEMA 和NMBA 上都形成了初级自由基。AM 和HEMA 自由基共聚，而NMBA 是双官能团共聚，与HEMA 和AM 形成交联共聚物。CMC 的羟基（—OH）和羧基（—COO）官能团也通过静电和氢键与共聚物相互作用，形成了共聚物与CMC的双网络。Spagnol等以,'-亚甲基双丙烯酰胺（MBAAm）为交联剂，过硫酸钾（KSO）为引发剂，采用自由基水共聚法制备了纤维素纳米晶须填充的聚丙烯酰胺-共丙烯酸酯（CNWs）高吸水性水凝胶。Mohy 等采用自由基聚合法将交联聚丙烯酰胺链接枝到羧甲基纤维素上，制备了高吸水性水凝胶。通过改变CMC浓度、丙烯酰胺浓度、,'-亚甲基双丙烯酰胺浓度、硫酸铵浓度、反应时间和反应温度等接枝聚合条件，得到了不同化学成分的水凝胶，监测了水凝胶的组成对吸水性的影响。Ma 等采用自由基共聚法合成了聚丙烯酸---羟甲基丙烯酰胺--丙烯酸丁酯共聚物接枝羧甲基纤维素（A-PN-PBA--CMC）黏结剂，羧基与硅颗粒和铜捕集剂具有良好的黏结能力。如图8 所示，CMC 和PAA 提供了交联黏合剂的主体和大量的极性官能团，可以与硅的表面基团相互作用。此外，羧甲基纤维素和-羟甲基丙烯酰胺片段中的羟基和羟甲基分别发生缩合反应，可以形成高机械强度的交联网络。

图8 PA-PN-PBA-g-CMC聚合工艺和交联机理[55]

在众多通过改性来改善天然纤维素性能的方法中，接枝是最重要的方法之一。接枝有几种方法，但自由基是最方便的方法，因为它们在接枝前就在纤维素主干上产生自由基。它可以用不同的引发剂体系进行，这些引发剂体系广泛用于合成接枝共聚物。通过自由基共聚产生的纤维素基水凝胶还具备单体的性能，如亲水性、溶解性等。此外，通过自由基接枝共聚法得到更多的官能团，如羧基、氨基等能相互作用的极性官能团可以增强水凝胶的力学性能。因此，自由基聚合反应在水凝胶合成反应中应用最广泛。

1.2.3 动态共价键交联

共价交联是一种运用传统合成方法或辐射、光聚合等技术，通过共聚或缩聚反应而形成的共价交联网络。动态共价键交联则代表着这些键受到适当的外部刺激（温度、催化剂、光照等），它们就会变成可逆的，并且会再次达到平衡状态。几种具有可逆性和动力学性质的动态共价键，如二硫键（硫醇二硫交换反应）、碳氮键（亚胺或酰腙交换反应）、环己烯（Diels-Alder热可逆环加成反应），特别是硼酸酯键（硼酸二醇可逆反应）已成功应用于自愈合水凝胶。Ma 等制备了一种动态硼酸键和氢键双交联水凝胶（DN）。该水凝胶具有较高的机械强度、韧性和抗疲劳性能，适应性强，可重构的动态硼酸键与氢键的结合使水凝胶室温自愈效率达到近88%。这种新策略不仅应该提供一种具有强大的力学性能和高自愈能力的动态DN水凝胶，而且应该丰富动态共价键和氢键协同整合的方法，超越水凝胶力学性能和自愈能力之间的权衡。Yang等通过动态共价酰腙键连接合成了羧乙基纤维素接枝二硫代二丙酸二肼（CEC-TPH）和端基二苯甲醛聚乙二醇（PEG-DA），并在4-氨基-DL-苯丙氨酸催化下由它们的混合溶液形成水凝胶[图9(b)]。如图9(a)所示，该水凝胶具有pH/氧化还原双响应性溶胶-凝胶转变行为，并成功应用于阿霉素的控释。如图9(c)所示，这种水凝胶的形成机制归因于CEC-TPH 主链上的酰腙基团与PEG-DA 末端的醛基团发生缩合反应形成酰腙键。酰基腙作为可逆的共价交联剂存在于水凝胶的动态网络中。在4-苯丙氨酸的催化下，动态酰腙键迅速平衡，不仅有利于水凝胶的形成，而且形成了动态可逆的水凝胶网络。如图9(d)所示，纤维素基水凝胶通过可逆的酰腙键的快速断裂和重整，在保持其长期完整性的同时，表现出独特的网络拓扑重排能力。动态水凝胶特殊的自愈性能可以被运用在许多领域中，因此成为了近些年的研究热点。目前动态水凝胶的研究已经相对成熟，许多纤维素基动态水凝胶可以在几秒内自动愈合，但是其机械强度、韧性和抗疲劳性能不能同时保证，需要进一步改善。

图9 水凝胶照片及反应机理和动态水凝胶网络示意图[57]

1.2.4 “点击化学”交联

在合成技术的进步中，点击化学重新分配了纤维素改性领域，以前是传统的合成方法，如酯化和醚化。点击反应不仅可以避免上述传统合成途径的局限性，而且可以快速合成具有多种功能附体的分子。这是一种温和、模块化、范围广和高效的修饰方法，只产生无害的和容易移动的副产物，并且是立体定向地得到产物。此外，与传统方法相比，它能够合成具有新的功能、结构和性质的衍生物。点击反应大致分为六类：铜催化炔/叠氮化物环加成（CuAAC）、无金属[3+2]环加成、Diels-Alder 反应、thiol-Michael 反应、肟点击反应、thiol-ene 反应。点击化学反应具有反应简单、快速、产量高并且产物容易提纯等特点。特别是无铜的点击化学，如菌株促进的环加成和Diels-Alder反应，可以在不需要催化剂的情况下将两个分子结合在一起，从而实现体内的化学偶联，并在许多研究中证明了其效用。

由于纤维素改性后可拥有一个可点击的官能团（醛或肼），因此选择的化学成分应该允许两个官能团（醛和肼）中的其中一个被引入选择的纤维素衍生物中。如图10 所示，第一个反应在两个可点击链之间提供水凝胶，第二个反应引入生物学相关的配体。以上两个反应顺序也可相互颠倒。通过利用生物相关的配体（L）连接纤维素衍生物链成为第二次点击反应。这个概念基于一个或两个不同的多糖允许其创建功能水凝胶，它还打开了范围和限制，对生物材料进一步功能化，促进了水凝胶的形成以及生物相容性的产生。

图10 从不同的多糖创造功能化水凝胶的概念

Mohamed 等用1-叠氮-2,3-环氧丙烷对羟乙基纤维素（HEC）进行改性，得到取代度为0.04的叠氮HEC。以CMC 为原料，在1-乙基-3-(3-二甲氨基丙基)碳二亚胺（EDC）和-羟基琥珀酰亚胺（NHS）的存在下与丙胺发生偶联反应合成了炔衍生物。在碘化铜的存在下，叠氮-HEC 和丙炔基-CMC 的水溶液混合得到点击水凝胶。Mcoscar 等利用巯基-烯点击化学反应合成了CMC 水凝胶。CMC 是降冰片烯团体通过碱催化、水性功能化与降冰片烯二酸酐反应，产生活性降冰片烯组。反应的pH和酸酐浓度均可控制CMC的降冰片功能化程度。该降冰片功能化CMC（cCMC）与2,2'-(乙二氧)二乙硫醇（DEG）交联剂经紫外线引发的硫醇-烯反应进行交联。在一定的聚合物浓度下，硫醇与降冰片烯的比例和辐照时间都可以改变，以控制数量级的模量。

1.2.5 Michael加成

通过纤维素上的羟基和二乙烯基砜（DVS）的碳碳双键进行Michael 加成反应得到聚电解质水凝胶。Yang等将未衍生化的纤维素浆溶解于冷碱溶液（LiOH/尿素） 中，与亚甲基双丙烯酰胺（MBA）化学交联，形成具有良好吸水性能的强碱性水凝胶。交联是通过基本的Michael 加成机制发生的。这种基于未改性纤维素直接溶解在LiOH/尿素中，然后进行MBA 交联的创新方法，为制备具有优异吸水能力的化学交联非衍生高分子量纤维素水凝胶提供了一种简单而快速的方法。Wang 得到了一种新型的二维含甲基丙烯酸的纤维素纳米片（CNS）。通过“自下而上”的方法，在温和条件下直接合成了约6nm 的GEMA-CNS。然后，将获得的GEMA-CNS 通过硫醇Michael 加成共价结合到聚乙二醇中，从而制造出一系列基于GEMA-CNS 的纳米复合水凝胶。加入GEMA-CNS 可有效提高机械强度并改变水凝胶的内部网络结构，基于GEMA-CNS 剂量的这种性质可调的水凝胶证明了在组织工程中的潜在应用。

1.2.6 环氧化物和卤代烷交联

环氧化物和卤代烷交联一般是在高温、强碱性条件下，以环氧化合物、卤化物以及具有环氧和卤化物基团的化合物交联制备纤维素基水凝胶的方法。环氧化物具体以纤维素为基本原料，以环氧氯丙烷为交联剂，在氢氧化钠/尿素水溶液中合成纤维素水凝胶。Chang 等以季铵化纤维素（QC）和羧甲基纤维素（CMC）与环氧氯丙烷（ECH）在NaOH 水溶液中交联，反应中QC 和CMC 分别作为聚阳离子和聚阴离子，在水凝胶网络中创建了一系列包含酸性（—COO）和碱性[(CH)N—]的两性水解水凝胶，合成了具有pH 和盐响应特性的两性水解水凝胶。Qu 等利用不同的ECH 和戊二醛（GA）交联剂，将-环糊精（-CD）高效地接枝到稻壳基纤维素上。Salleh 等用ECH 与溶解油棕空果束纤维素（EFBC）和CMC 进行化学交联，生成指定的水凝胶。环氧化物和卤代烷交联法具有简单便捷的优势，但是其交联剂大多对人体有毒有害，并且需要在强酸、碱性或相对苛刻的温度条件下交联合成，因此需要进一步改进。

2 纤维素基水凝胶的应用

纤维素基水凝胶凭借其优异的可降解性、生物相容性、亲水性、刺激响应性能、吸附性等被应用于许多领域中。以下是对纤维素基水凝胶在不同性能领域中应用的综述。

2.1 可降解性能领域

高分子材料的使用日益增多，其废弃物的积累已引起环境领域的关注。因此，新型高分子材料的降解和回收受到了研究人员的高度重视。生物降解性材料被认为是安全与健康的良好材料。Xu 等制备了一种新型瓜尔胶-纤维素气凝胶（GCA）膜，并将其作为电解质膜制备可降解锌离子电池（DZIB）。大约40 天后，制备的所有组分都可以在含有蛋白酶K溶液的磷酸盐缓冲盐水（PBS）中成功降解或分解。Zhang 等以酵母为发泡剂，制备了聚乙烯醇/羧甲基纤维素/酵母双降解水凝胶，研究了双降解水凝胶的生物降解性。结果表明，添加酵母后，水凝胶的比表面积和平均孔径增大，双降解水凝胶的亚甲基蓝最大吸附量显著高于未添加酵母水凝胶。酵母的引入促进了水凝胶的生物降解，提高了聚乙烯醇在材料中的降解率。

2.2 生物相容性能领域

由于纳米纤维素具有生物相容性、生产成本低、来源丰富、无毒以及与活体组织相似性等优点，为纳米纤维素基水凝胶进入生物医学领域铺平了道路。纳米纤维素基水凝胶已在生物医学，如药物传递、组织工程、生物支架以及创伤修复等中应用。

2.2.1 药物传递

大多数实际的医药材料来自化石燃料资源，加重了污染和气候变化，因此开发替代的、可持续的材料刻不容缓。纤维素基水凝胶由于其高度的生物相容性和可用性，已经被广泛应用在给药领域。纤维素基水凝胶主要用于常规给药或刺激响应系统。水凝胶的药物释放机理主要是通过光、化学作用、温度、pH、电场和磁场等环境刺激的反应，将药物传递到所需的位置（组织、细胞）进行释放来发挥作用。由于生物体内病变或损伤会引起局部的温度、pH 等变化，因此水凝胶会受到这些刺激释放药物。此外，水凝胶本身具有的膨胀和收缩的特性导致了聚合物的透光率、水动力半径和刺激诱导的分子间及分子内氢键的变化。因此，组件可能发生拆卸现象，肿胀使水凝胶结构松动，组件中被装载的药物在外界刺激下被释放。Yan 等以海藻酸盐（ALG）为核，羧甲基纤维素（CMC）为壳（ALG@CMC），采用原位凝胶制备技术作为给药体系，制备pH 响应型核-壳结构复合水凝胶珠。消炎药吲哚美辛被载入形成的水凝胶作为模型药物，并观测该水凝胶的溶胀和释药行为，发现ALG@CMC 微球的溶胀和释药速度明显慢于simple-ALG，且均具有显著的pH 响应性。这些开发的材料可能被作为pH 响应体内药物输送装置。Sheikhy 等通过硫酸水解法从微晶纤维素中提取纳米晶纤维素（NCC）。以衣康酸/甲基丙烯酸羟乙酯（IA/HEMA）为原料，马来酸酐（MA）为溶剂合成了具有独特膨胀性的NCC 衍生物，合成改性NCC（m-NCC）制剂的崩解时间明显缩短，在较短时间内达到药物完全释放的适宜条件。

2.2.2 创伤修复

有效的伤口愈合仍然是一个巨大的临床挑战。伤口愈合是替换失去活力和缺失的细胞结构和组织层，是一个复杂和动态的过程。纤维素基水凝胶及其衍生物可作为不同形式的伤口敷料产品，如纤维、膜和海绵。由于水凝胶中的纤维素本身没有抗菌性能，主要是脱乙酰的几丁质和壳聚糖具有止血剂和聚阳离子，因此它具有天然的抗菌性能。

值得注意的是，细菌纤维素（BC）具有良好的三维网络结构、较高的机械强度和保水性能以及良好的生物相容性，是一种很好的创面敷料候选材料。Tang 等采用1,4-丁二醇二缩水甘油醚（BDDE）交联BC和透明质酸（HA）制备了复合水凝胶。交联BC/HA 复合材料的表面更致密、更光滑，其水稳定性、尺寸稳定性、力学性能和热稳定性均较好。细胞毒力测定和形态学观察表明，BDDE交联BC/HA复合物能显著促进细胞增殖和黏附。这种化学交联BC/HA 复合材料在伤口护理方面可能有许多新的生物医学应用。Wang 等开发了一种新型再生的细菌纤维素/聚吡咯/碳纳米管（rBC/PPy/CNT）电活性水凝胶，增强细胞增殖，促进创面愈合。

2.2.3 组织工程

由于组织和器官的缺陷或功能丧失，例如创伤、先天缺陷、疾病、功能障碍和衰老等，使得组织工程成为了一种修复、改善或替换受损组织和器官的有效途径。组织工程是纤维素基水凝胶的最新应用，它们作为支架来模拟细胞外基质的细胞功能，并产生新的组织。此外，水凝胶在人体的软骨、骨骼、肌肉、皮肤、脂肪、血管、肝脏、膀胱、韧带、肌腱和神经元等组织的工程中几乎都有临床应用。此外，水凝胶还可以作为组织生长的表面修饰。这种表面修饰方法可以防止有害细胞的黏附，促进骨和皮肤与植入生物材料的相互作用，是控制和调节细胞相互作用的良好选择。Patel 团队制备了多功能壳聚糖（CH）/CNC水凝胶支架。CH/CNCs 与纯CH 水凝胶支架相比机械强度显著增强，并且可改善细胞活力。此外，CH/CNC 水凝胶支架环境下的成骨相关基因表达增强，表明它们的成骨潜能以及抗菌活性增强。复合支架具有更好的药物缓释效果。因此，制备的支架可用于组织工程成骨、抗菌药物和持续药物传递。

2.3 亲水性能领域

水凝胶的吸水性能极强，可吸收其自身绝干质量1000 倍的水，纤维素基高吸水性水凝胶由于含有丰富的羟基、良好的结构和性能，已成为广泛应用和不可缺少的环保吸水材料。纤维素基水凝胶目前已经被广泛应用于一次性尿布、餐巾、个人卫生用品、农业蓄水产品等。

2.3.1 保健和卫生产品

由于水凝胶本身强大的吸水能力，因此被广泛应用在尿布、餐巾和其他卫生行业中。但是市场上90%左右的水凝胶是由合成聚合物制成的，主要是丙烯酸酯，如丙烯酸或丙烯酰胺，存在一定的毒性以及环境压力。因此，纤维素基水凝胶以其绿色环保、亲水性强等优点备受关注。Haque 等合成了具有良好吸附性能和抗菌活性的纤维素基水凝胶，并将其应用于个人保健领域，合成的水凝胶在处理个人保健品的复杂性方面具有良好的主动性，也为产品替代现有的石化基高吸水性聚合物创造了机会。

2.3.2 农业

高吸水性高分子材料作为一种具有良好吸水性的软材料，在农林业领域引起了广泛的关注。水凝胶在与土壤相互混合之后，可以储蓄大量的水分。如图11 所示，在土壤与水凝胶存在湿度梯度的情况下，水分可被缓慢释放。这一方法既减少了灌溉频率，也节约了灌溉用水量，使其免于蒸发和排水。此外，水凝胶具有膨胀效应，水凝胶颗粒的吸水后体积几乎与绝干状态下相差巨大。因此，膨胀的水凝胶与土壤相互作用使土壤变得松散，增加土壤的孔隙度，使土壤具有更多的氧气促进植物根系的生长。这些聚合物水凝胶土壤改良剂在大农场的应用因其高昂的成本和对环境的破坏而受到限制。以优化农业、园艺的水资源为目的，开发一种以纤维素衍生物为基础的生物可降解高吸水性水凝胶是更明智的办法。随着纳米纤维素水凝胶大规模生产，其价格也有望下降，最终实现低成本这一目标。Das 等以柠檬酸（CA）为交联剂，合成了羧甲基纤维素钠盐（CMCNa）和羟乙基纤维素（HEC）基可生物降解水凝胶，作为一种有前景的水凝胶材料，可控制水的吸收和释放，以提高可利用水资源的农业应用。Calcagnile 等研究提出一种可完全降解的天然高吸水性复合材料，可用于农业和园艺领域。该材料凭借其吸收和释放大量盐水的能力，以一种可控的方式将肥料溶液保留和释放到土壤中，从而使资源得到优化。

图11 水凝胶膨胀对土壤孔隙度的影响

2.4 刺激响应性能领域

如表1所示，目前具有各种刺激响应性能的纤维素基水凝胶已经被研发出来。刺激响应性水凝胶作为智能材料，在光电传感、可穿戴材料、药物缓释、海上漏油处理上有着广泛的应用前景。根据刺激方式的不同，刺激响应性有机凝胶的触发机制有离子、氧化还原、光、pH、温度、溶液浓度、电压等类型。目前对刺激响应水凝胶的研究大多集中在其单一刺激响应特性上，对多刺激响应或多功能特性的研究较少，且力学性能不佳，这极大地限制了刺激响应性水凝胶的实际应用。因此，高强度多响应的水凝胶的开发和研究更具意义和挑战性。

表1 制备的各种纤维素水凝胶的不同刺激响应性能以及应用

近期，Chen 等制备了一种弹性好、柔韧性好、电导率稳定的多刺激响应多功能水凝胶体系（羧甲基纤维素/聚丙烯酰胺）。所制备的水凝胶不仅具有良好的人体运动检测和生理信号响应能力，而且具有对环境温度变化的响应能力。通过将导电水凝胶与热响应型聚-异丙基丙烯酰胺（PNIPAM）水凝胶结合形成双层水凝胶，制备的双层水凝胶由于在不同的热刺激下具有不同的膨胀和收缩程度而同时起到两种致动器的作用。所制备的水凝胶体系作为智能材料在离子皮肤、智能信息窗口、软机器人等不同应用领域具有良好的应用前景。

2.5 吸附性能领域

水凝胶由于自身吸附性能可以被应用到污染物吸附等行业中。由于水凝胶聚合网络的官能团改变，对环境中不同的污染物表现出更高的结合亲和力。水凝胶在快速膨胀动力学、可改变的表面特性（如电荷、功能、快速扩散过程)、改变比表面积、渗透性、热稳定性、耐酸碱性质和亲水性等方面都具有很大的灵活性。这些特性在水处理中应用，水凝胶对包括金属离子、有害染料和有害医药废物在内的各种有机和无机水污染物都起到了非常有效的遏制作用。在现有的技术中，吸附法因其效率高、成本低、操作简单而受到人们的关注。Nazanin 等制备了一种基于CMC 和聚苯胺（PANI）的新型可生物降解水凝胶去除废水中的有毒染料。纤维素基水凝胶具有较高的抗菌活性和良好的自然土壤微生物降解性，降解率可达91.7%，最终得到的水凝胶具有良好的导电性和pH敏感性。Mittal等合成了壳聚糖（CS）和CMC交联的氧化石墨烯（GO）纳米复合材料水凝胶（NCH），合成的CS/CMC-NCH 是一种可处理阴离子和阳离子染料污染废水的多功能吸附剂。

2.6 柔性性能领域

如表2所示，结合了优异的电子性能和湿组织的柔软性质的导电水凝胶在人体运动检测、软机器人、植入式生理监测和可穿戴医疗跟踪方面很有潜力，被称为柔性电子技术。但是聚合物水凝胶的制备往往要经历烦琐和耗时的制备过程，才能达到柔性电子元件所需的高导电性、高拉伸性、长期黏性、机械的灵活性和生物相容性，从而实现对各种人类活动实时监控和传递信号的要求。这极大地限制了柔性电子技术的进一步发展。纤维本身的延展性不仅有利于提高响应性，还可以作为可穿戴设备，如超级电容、传感器等与衣服完美结合。纤维素基水凝胶在多功能可穿戴设备领域具有应用潜力。Liang等将活性材料碳纳米管（CNT）加入纺丝溶液中，在BC 上聚合聚(3,4-乙烯二氧噻吩)（PEDOT）得到导电纤维，可制备可穿戴设备，如光纤超级电容器。Kim等报道了一种基于再生纤维素水凝胶和金纳米棒（AuNRs）的表面增强拉曼散射（SERS）活性阵列膜。这种策略能够在水凝胶表面以精确控制的数量密度直接形成AuNR 阵列。Hao等通过自由基聚合，在30s内合成了一种具有优异拉伸性能、可重复自黏附性、高应变敏感性和抗菌性能的多功能聚丙烯酰胺@纤维素纳米晶/单宁酸银纳米复合水凝胶。水凝胶显示重复黏合度不同的基质和显著的抗菌特性。此外，其卓越的电导率和应变敏感性使柔性表皮传感器能够实时监测人体的各种运动，包括巨大的变形和微妙的运动。预计这项工作将为导电水凝胶在柔性电子皮肤、生物医学设备和软机器人中的快速制备提供一个有前景的策略。Zhou等利用聚(AA--SMA)/c-CNF/Fe纳米复合水凝胶，制备了自修复柔性应变传感器。如图12所示，该纳米复合水凝胶制备的柔性应变传感器可以在损伤后进行自我修复，恢复其传感能力。与其他水凝胶自修复传感器相比，通过引入c-CNF提高纳米复合水凝胶的弹性，本研究的柔性应变传感器具有本质上可逆的传感能力。这些例子表明，在减少对环境影响的情况下，纤维素基水凝胶对电子产品的发展是有巨大前景的。然而，仍然有必要开发经济上可行的制造方案和处理工艺，以确保在国际标准下，有一个整体的可持续性。

图12 聚(AA-co-SMA)/c-CNF/Fe3+纳米复合水凝胶的自修复柔性应变传感原理[101]

表2 各种柔性材料在不同领域中的应用

3 结语

由于纤维素以及纤维素衍生物自身来源广、成本低、可再生、无毒性等特点，采用合适的物理、化学交联方法可制得优良结构和功能各异的环保型水凝胶。纤维素基水凝胶可以凭借优良的亲水性、生物相容性、可降解性、吸附性等性能在许多领域中被应用。随着科技的进步，制备纤维素基水凝胶的各种交联方法也在不断优化。但是目前大部分纤维素基水凝胶的产业化制备仍不成熟，还处于实验室研究阶段，大部分领域在今后投入应用过程中还有很多实际障碍需要铲除。此外，纤维素基水凝胶普遍存在的问题是力学性能不足，未来应继续探索高强度、坚韧纤维素水凝胶的制备途径。相信在不久之后，学者们凭借创新思维、研究和独特的应用，可以使纤维素水凝胶具有更加巨大的创新发展。