水凝胶是一种包裹大量水分子而形成的与细胞外基质相似的具有三维网络状结构的生物医用材料，因其具有柔顺性、生物亲和性和结构可设计性等优异性能，近年来备受关注。
图1 自愈合水凝胶
然而，尽管传统意义上的水凝胶具有较为优异的机械性能，其在受到微小创伤时结构完整性仍然会发生破坏，影响了材料的使用寿命与安全性。自愈合水凝胶具有在材料出现断裂时恢复至初始力学性能和功能的特点，是一种仿生材料，相比传统的水凝胶更适合应用在药物递送、组织培养、皮肤敷料、生物传感器等生物医学领域。
自愈合机制
基于共价结合的聚合物自愈合
在聚合物自愈合材料中，尤其是弹性体材料，大部分通过动态的共价键作用实现自修复。聚合物材料的力学性能和功能主要取决于交联点的结构，其中动态相互作用是用来设计自愈合聚合物的关键。引入的动态键会参与自愈合的每个过程，通过链间扩散缩小受损部位的空隙，并通过键的相互作用而愈合。
01
DA反应
图2 DA反应
DA反应是通过共轭二烯和取代烯烃反应生成环己烯的热可逆动态环加成反应，可逆转回原来的共轭二烯和烯烃，且在一定合适的条件下再次形成环加合物。DA反应具有高选择性、高产率、无副反应和副产物的特点，因此其在功能性水凝胶的制备中有至关重要的作用。
02
席夫碱反应
图3 席夫碱反应
亚胺键又称作席夫碱，席夫碱反应是一种非细胞毒性交联过程，主要指亚胺键和活性羰基（醛基）缩合。基于动态共价化合键制备的水凝胶大多需要酸、碱、光或温度等外界刺激来触发共价化合反应，而席夫碱反应则是为数不多的无需外界刺激便可实现自我修复的水凝胶之一。
03
二硫键
二硫键的交换平衡普遍存在于生物体中，其可以在光、热或力的作用下断裂，并在合适的温度和pH环境下进行重组与交换。利用二硫键制备的水凝胶不仅可以实现自愈合，还有还原响应特性，这使得其在生物医学及载药方面具有广泛应用。
基于非共价结合的聚合物自愈合
01
氢键
氢键是最常见的非共价相互作用之一，当一个电负性原子与氢原子之间发生相互作用，使得氢原子中的电荷偏向电负性原子，而该氢原子与另一个富有电子的电负性原子发生键合时就会产生氢键。由于聚合物链中氢键的排列方式影响其可逆性和强度，一般使用可逆氢键制备的水凝胶网络通常不稳定,且自愈合的能力较差。
02
疏水相互作用
疏水相互作用在多数生物系统的形成和生物功能的维持中发挥着主导作用。疏水作用由科学家Kauzmann于1959年首次明确提出。疏水分子通过周围氢键包裹一层水分子形成笼状结构，这种高度有序的排列致使熵减小，从而构成一种不稳定的构型。当两个疏水分子足够接近时，构型被打破，形成疏水-疏水分子组合。疏水相互作用的强度略高于氢键，可以通过改变疏水分子的形状和数量进行微调，使其更容易操控。
03
主客体相互作用
图4 β-环糊精与客体分子成键
主客体相互作用是分子通过识别主体和客体部分，使客体部分通过物理方式（氢键、范德华力、π-π相互作用和疏水缔合作用）插入主体基团。该方法可以简单制备一种透明、坚韧的水凝胶，其在干湿条件下均能自愈。
自愈合水凝胶在生物医学中的应用
01
生物传感器
近年来，柔性传感器已具有可折叠、可穿戴、可拉伸性、可变形性、超亲水性和生物相容性等特性。利用柔性传感器，研究人员可以将外力转化为电信号，进行信号处理，并在可穿戴产品中使用柔性传感器实时、准确地监测人体各项指标。可拉伸导体是柔性传感器的基本组成部分，水凝胶可以用来制备可拉伸导体，而将自愈合能力整合到水凝胶中是提高水凝胶应变传感器可靠性、耐久性和使用寿命的一种有前景的方法。
图5 自愈合水凝胶在生物传感器的应用
02
皮肤敷料
水凝胶敷料的三维多孔结构使其具有较高的溶胀率，可以为创面提供一个湿润的环境，并及时交换营养物质和代谢产物，促进创面愈合。普通敷料在使用过程中，可能会受到外界压力而发生破裂，而自愈合水凝胶因为具有稳定的机械性能可以避免该情况发生。此外，载有抗菌药物的水凝胶敷料还可以实现药物的持续缓慢释放，并达到长期抗菌效果，从而避免了伤口在更换敷料时的感染和继发性伤害。
图6 自愈合水凝胶在皮肤敷料的应用
03
药物递送
水凝胶内部的三维网状结构和贯通凝胶内部的孔道对被运载药物的扩散以及被运载生物活性分子具有重要意义。药物被运送到指定位置后，凝胶网络逐步降解，内含药物缓慢释放，使血液中的药物浓度在较长的时间内保持稳定，该方法可以避免药物剂量过高以及频繁注射。水凝胶基质提供的水环境可以防止药物过早降解，增加药物的半衰期，对包裹多肽、蛋白质等生物药品的可控释放具有极大的优势。使用水凝胶作为载体进行递送时降解时间可调，随着交联点密度增加，分子链长度增加，释放时间变长。
图7 自愈合水凝胶在药物递送的应用
04
组织工程
自愈合水凝胶具有良好的力学性能，因此可以作为组织工程中的支架材料。水凝胶本身拥有极高的含水量，可为细胞的体内生长提供良好的营养代谢物质，同时自愈合水凝胶本身的三维立体结构能更好地与体内组织相匹配，其本身的自愈性能为细胞微创植入体内提供了可能，因此自愈合水凝胶在细胞三维培养中被广泛应用。
图8 自愈合水凝胶在组织工程的应用
生物医用自愈合水凝胶的
发展方向与应用前景
为进一步推动自愈合水凝胶的研究和应用，未来对水凝胶的设计应满足以下优点：
（1）合成水凝胶的原料应无毒无害，且更趋向于可降解的生物大分子，使产品具有更好的生物相容性和可降解性；
（2）优化水凝胶自愈合机制和制备方法，提高材料的性能、稳定性和自愈合效率；
（3）水凝胶可自主自愈，无需外界刺激，且尽量避免因季节性变化引起的功能衰减；
（4）探索水凝胶的多功能性并实现协同作用，满足体内复杂的环境及生物功能；
（5）水凝胶的各项性能与其目标作用位置更加匹配，实现更好的临床效果；
（6）设计具有体内跟踪能力的水凝胶以扩大其在生物医学领域的用途。
参考文献
[1]Xinyue Liu; Ji Liu; Shaoting Lin; et al. Hydrogel Machine. Mater. Today, 2020, 36, 102-124.
[2]王春堯. 生物医用自愈合水凝胶研究进展. 精细与专用化学品, 2023, 31(6), 40-45.
[3]王宇飞. 基于可逆动态键自愈合导电弹性体的制备及其传感性能的研究. 东华大学, 2022.
[4]王金月, 邸金威, 吕立勋, 等.聚合物自愈合机制及在生物医药领域的应用研究进展. 药学学报, 2023, 58(1), 86-94.
[5]张晓敏. 医用自愈合水凝胶敷料的制备及性能研究. 南京理工大学, 2021.
[6]李进; 赵梓年; 李征征; 等.自愈合水凝胶的合成机理及生物医学应用. 材料导报, 2019, 33(10), 3328-3346.
文章来源：高分子物理学
注：本站转载的文章大部分收集于互联网，文章版权归原作者及原出处所有。文中观点仅供分享交流，如涉及版权等问题，请您告知，我将及时处理！
