智能水凝胶的研究进展

摘 要：【目的】智能水凝胶具有高稳定性、特殊的物理化学性能，以及多种刺激响应性功能。开发和研究具有多重响应性和生物相容性的智能水凝胶，可以使其在生物医学工程领域获得更多的实际应用价值。【方法】综述了智能水凝胶的制备工艺、不同智能水凝胶的响应性机制，以及智能水凝胶的具体应用方式，重点介绍了其在生物医学工程领域的应用进展。【结果】智能水凝胶的原料来源广泛，制备工艺多样，具有温度响应性、pH响应性、电响应性、光响应性多重刺激响应特征。因特殊的理化性能和良好的生物相容性，智能水凝胶在药物递送、组织工程等多个领域得到了广泛应用。【结论】刺激响应效应的引入可以增强水凝胶的功能，扩大其在生物医学工程领域的应用范围。智能水凝胶的研究正朝着集成多种响应性方向发展，以实现更复杂的功能和更精细的调控。

关键词：智能水凝胶；响应机制；研究进展

中图分类号：O648.17" " "文献标志码：A" " 文章编号：1003-5168（2024）13-0079-04

DOI：10.19968/j.cnki.hnkj.1003-5168.2024.13.016

Research Progress of Smart Hydrogels

YANG Liuqing ZHANG Pei

（Patent Examination Cooperation （Hubei） Center of the Patent Office， CNIPA， Wuhan 430000， China）

Abstract： [Purposes] Smart hydrogels possess high stability， unique physicochemical properties， and a variety of stimulus-responsive functions. The development and research of smart hydrogels with multiple responsiveness and biocompatibility can gain more practical application value in the field of biomedical engineering." [Methods] This article reviews the preparation process of smart hydrogels， the responsiveness mechanisms of different smart hydrogels， and their specific application methods， with a focus on their application progress in the field of biomedical engineering. [Findings] Smart hydrogels have a wide range of raw material sources and diverse preparation processes，which exhibits multiple stimulus response characteristics such as temperature responsiveness， pH responsiveness， electrical responsiveness， and light responsiveness. Due to their special physicochemical properties and good biocompatibility， they have been widely used in drug delivery， tissue engineering， and other fields. [Conclusions] The introduction of stimulus response can enhance the functionality of hydrogels and expand their application range in the field of biomedical engineering. Research on smart hydrogels is moving towards integrating multiple responsiveness to achieve more complex functions and more refined control.

Keywords： smart hydrogels; responsive mechanisms; research progress

0 引言

智能水凝胶是一种新型凝胶材料，因其对环境刺激（如温度、pH 值等）的响应性而受到广泛的研究和关注。智能水凝胶通常由天然或合成聚合物制成，通过引入刺激响应性官能团或纳米结构来赋予响应性。智能水凝胶可以根据不同的刺激作用表现出各种不同的响应特征，例如体积变化、溶胀-解离、光学特性变化、热致变色等。

智能水凝胶在生物医学领域具有巨大的潜力，可用于药物释放，促进细胞生长和分化，并修复受损组织。例如，温度响应性水凝胶可用于响应体温变化触发药物释放；pH响应性水凝胶可用于靶向递送药物至特定pH环境（如肿瘤微环境）。此外，智能水凝胶还可用于组织工程和再生医学，可作为支架材料，为细胞生长和分化提供三维支架。通过调节水凝胶的特性，可以控制细胞的附着、增殖和迁移。这使智能水凝胶成为修复受损组织和器官的一种理想材料。

然而，智能水凝胶在临床转化方面仍然面临着需提高生物相容性和降解性，实现多功能化和靶向性等挑战。尽管存在这些挑战，但其仍是生物医学领域极具前途的新型材料。

1 智能水凝胶主要特性和制备工艺

1.1 智能水凝胶的主要特性

响应性：智能水凝胶最显著的特点是对各种环境刺激具有响应性。它们可以根据温度、pH值、电场、光照或其他刺激表现出各种响应，例如体积变化、溶胀-解离或机械性质改变。

可逆性：智能水凝胶的响应通常具有可逆的特点，这意味着在移除刺激后它们能够恢复到原始的状态。这种可逆性使其可以根据需求重复使用。

性能可调性：智能水凝胶的物理和化学性质可以通过改变其成分、交联度等进行调节。研发人员可以利用这种特性，根据不同需求定制不同性能的产品，通过结合不同的功能性成分，实现凝胶材料的多功能化。这使得它们能够同时执行多种功能，（如药物递送和细胞培养）［1］。

生物相容性和可降解性： 智能水凝胶通常具有良好的生物相容性，这意味着它们与活体组织接触时不会引起不良反应。许多智能水凝胶是生物可降解的，随着时间的推移水凝胶材料能够在体内发生降解，不需要将其从体内移除。良好的生物相容性和可降解性使得这类材料适用于各种生物医学领域。

1.2 智能水凝胶的制备工艺

智能水凝胶通常由天然或合成聚合物制成。常用的天然聚合物主要包括明胶、壳聚糖、透明质酸、纤维素等；合成聚合物主要包括聚乙二醇 、聚丙烯酸、聚丙烯酰胺等［2］。智能水凝胶可以通过多种方法制备，现有的制备工艺主要包括：自由基聚合，使用自由基引发剂引发单体或预聚物的聚合；缩聚反应，将两个或多个功能团结合在一起形成重复单元；交联反应，将聚合物链连接在一起形成三维网络；自组装，利用分子间的非共价相互作用（如氢键、疏水作用和静电作用）自发形成有序结构。

智能水凝胶合成方法的选择取决于所用材料的性质和所需的最终性能。通过调整控制不同的合成工艺条件，可以定制不同物理化学性能的智能水凝胶产品［3］。

2 智能水凝胶的响应机制

2.1 温度响应性智能水凝胶

温度响应性水凝胶是研究最为广泛的一类智能水凝胶材料。类材料在温度发生变化时会发生溶胶-凝胶转变，导致凝胶的溶解度、构型或者亲水-疏水平衡发生变化。温度响应性水凝胶主要包括正温度响应水凝胶和负温度响应。其中正温度响应水凝胶在冷却至低于上临界溶液温度（UCST）时会发生收缩，负温度响应水凝胶在加热至高于下临界溶液温度（LCST）时发生收缩。这类材料可以不需要任何物理或化学处理，仅依靠环境温度的变化而进行凝胶化反应，因此，LCST低于人体温度的聚合物在可注射材料领域具有较大的应用前景［4］。

在LCST以下，水凝胶中的亲水基团与水分子形成稳定的氢键，使水凝胶保持溶胀状态。当温度升高到超过LCST时，亲水基团的亲水性降低，此时疏水作用在凝胶网络中开始占主导地位，导致聚合物链聚集，水凝胶发生收缩和相分离。每种聚合物都有其特定的LCST或UCST，不同聚合物制备得到水凝胶产品发生相转变的临界温度是不同的。在临界温度，水凝胶的溶解性和膨胀性会发生突变，可以利用不同聚合物在不同临界温度发生性能突变的特性，设计出适应于不同应用场景的智能水凝胶产品。

2.2 pH响应性智能水凝胶

pH响应性智能水凝胶是一种当外部环境的pH 值发生变化时，结构功能会发生变化的智能材料。这类材料通常由含有弱酸性或碱性功能基团的聚电解质构成凝胶网络，由于凝胶网络结构中存在可离子化的基团，这些基团具有pH敏感性，基团在不同的pH条件下会发生质子化或去质子化反应，导致水凝胶的体积、形态、孔隙率或化学组成发生变化。

常见的pH响应性水凝胶材料可以分为聚阳离子凝胶和聚阴离子水凝胶。通常聚阳离子水凝胶的分子链上带有碱性基团（如 -NH2），聚阴离子水凝胶的分子链上带有酸性基团（如 -COOH）［5］。凝胶的收缩和膨胀受到周围环境中的pH值影响。pH变化通过以下机制直接影响溶剂分子和聚合物链之间的相互作用：在酸性条件下，环境的pH值较低，羧基会吸收质子变成羧酸根离子，而氨基会保留质子成为铵离子；在碱性条件下，环境的pH值较高，羧基会释放质子变成自由的羧基，而氨基会吸收质子变成氨基离子。这些可离子化基团的质子化或去质子化会使水凝胶网络中的电荷状态发生改变，导致聚合物链之间发生静电相互作用。当羧基去质子化产生负电荷时，同性电荷之间会产生排斥力，导致水凝胶网络溶胀，相应的材料体积会变大。相反地，当羧基发生质子化反应时，凝胶网络结构中分子链之间排斥力会减少，导致水凝胶网络发生收缩，材料的体积会随之变小。在不同的pH条件下水凝胶可以进行溶胀-收缩循环反应。

2.3 电响应性智能水凝胶

电响应性智能水凝胶是一种具有特殊功能的高分子材料，它们能够在电场或电流的刺激条件下，实现结构和性能的可逆变化。电响应性智能水凝胶通常由导电聚合物、离子型聚合物形成交联网络。其中导电聚合物在电场作用下能够发生氧化还原反应，改变材料的导电性，离子型聚合物能够在电场作用下引起离子迁移，使水凝胶的体积发生变化。

通过在聚电解质水凝胶中施加电场，溶液中的可移动的离子与聚合物网络相互结合，引起水凝胶内部产生相反的电位差，水凝胶会根据电刺激的强度、方向和持续时间局部发生弯曲和膨胀。聚合物网络的交联密度和带有电荷的种类都会对材料的形变性能产生影响，其中交联密度高的水凝胶显示出单向弯曲，交联密度低的水凝胶则表现出双向弯曲；聚阳离子水凝胶在电刺激下会向阴极弯曲，而聚阴离子水凝胶则会向阳极弯曲。

2.4 光响应性智能水凝胶

光响应性智能水凝胶是一种对光照刺激表现出可逆响应性的智能水凝胶。这类材料通常由具有光敏基团的聚合物制成，例如聚 （N-异丙基丙烯酰胺）、聚（丙烯酸-co-丙烯酰胺）等。当光照射到光响应性智能水凝胶上时，光敏基团会吸收光能并发生化学反应或构象变化，从而导致水凝胶发生形变或其他性质变化。这种响应性通常是可逆的，在移除光照刺激后水凝胶会恢复到原始状态［6］。常见的作用机理包括以下几种。

①光异构化：某些光敏感生色团（如偶氮苯及其衍生物）在UV光照射下会发生顺-反异构化，这种结构变化会引起聚合物链的构象变化，进而导致水凝胶网络的体积发生可逆变化。

②光二聚化：一些光敏感基团（如香豆素等）在光照下会发生二聚化反应，形成新的共价键，改变水凝胶的交联密度和网络结构。

③光裂解：光裂解基团（如三苯基甲烷亚胺衍生物等）在光照下会发生分解反应，产生离子对或释放小分子，从而诱导水凝胶网络的降解或膨胀［7］。

④光热效应：某些材料（如金属纳米粒子）在近红外光照射下会吸收光能并转化为热能，引起局部温度升高，这类材料可用于控制药物释放或组织工程中的热疗。

3 智能水凝胶的应用

药物递送：利用pH敏感智能水凝胶在体内不同微环境条件下性能变化，可以将智能水凝胶用于药物控制释放等多种应用领域。某些疾病例如慢性伤口，炎症，癌症和肿瘤等，疾病发生时体内pH值会发生变化，利用这种生理特性，可以使用特殊的pH响应性凝胶材料将靶向药物递送到目标器官和组织，提高治疗效果。

组织工程：智能水凝胶可作为生物支架材料使用。凝胶的三维网络结构和聚合物表面修饰的各种官能团可以模拟细胞外基质的结构和功能，提供可控的机械刚度、适应性和生物相容性，促进细胞黏附、增殖和分化，用于修复和再生受损组织。

伤口敷料：智能水凝胶可以响应伤口处的多种生物信号，调节药物释放，促进伤口愈合。例如，一些水凝胶能够感应伤口处的酶活性变化，从而释放生长因子或抗菌药物。

生物传感器：利用智能水凝胶对环境变化的敏感性，可以开发出用于检测化学物质、离子、温度或生物分子的传感器。例如，利用酶固定化的水凝胶，可以作为响应血糖变化的传感器，用于监测糖尿病患者的血糖水平；电响应水凝胶可以作为电化学传感器，检测电信号或电活性物质，用于心脏监测、肌肉活动分析等。

4 结语

智能水凝胶作为一种新兴的材料，能够响应外部刺激，增强水凝胶的功能性，使其在生物医学工程等多个领域得到广泛应用。目前，智能水凝胶还存在力学性能不足、部分材料生物相容性不高、稳定性需要加强等问题，只有少数材料进入了临床应用。

智能水凝胶的研究正朝着集成多种响应性方向发展，以实现更复杂的功能和更精细的调控。通过开发新的生物材料和交联技术，以确保水凝胶在体内具有足够安全性。随着新材料的发现和新技术的应用，智能水凝胶的研究将继续创新，未来有望开发出更多创新产品和治疗方法，以满足临床和生物医学领域不断增长的需求。

参考文献：

［1］SAMCHENKO Y，ULBERG Z，KOROTYCH O. Multipurpose smart hydrogel systems［J］.Advances in Colloid and Interface Science， 2011， 168（1-2）： 247-262.

［2］WHITE E M， YATVIN J， GRUBBS III J B， et al. Advances in smart materials：Stimuli‐responsive hydrogel thin films［J］. Journal of Polymer Science Part B： Polymer Physics，2013，51（14）：1084-1099.

［3］MANTHA S， PILLAI S， KHAYAMBASHI P， et al. Smart hydrogels in tissue engineering and regenerative medicine［J］. Materials，2019，12（20）：3323.

［4］ESLAHI N， ABDORAHIM M， SIMCHI A. Smart polymeric hydrogels for cartilage tissue engineering： a review on the chemistry and biological functions［J］. Biomacromolecules， 2016， 17（11）： 3441-3463.

［5］BUWALDA S J， BOERE K W M， DIJKSTRA P J， et al. Hydrogels in a historical perspective： From simple networks to smart materials［J］. Journal of Controlled Release， 2014， 190： 254-273.

［6］SHARMA B， BHARTI R， SHARMA R. Controlled drug delivery：“A review on the applications of smart hydrogel”［J］.Materials Today： Proceedings， 2022， 65： 3657-3664.

［7］KLOXIN A M，KASKO A M，SALINAS C N，et al.Photodegradable hydrogels for dynamic tuning of physical and chemical properties［J］.Science，2009，324（5923）：59-63.