【科研摘要】

水凝膠是3D交聯的親水性聚合物網路，在水處理，能量儲存和再生醫學等許多領域都引起了極大的興趣。然而，常規的合成聚合物水凝膠具有差的生物相容性。在這種情況下，多糖（具有生物相容性和可生物降解特性的一類可再生天然材料）已被用作構建單元，透過多糖透過各種單體或離子的物理和/或化學交聯，產生基於多糖的水凝膠。這些源自多糖的水凝膠由於其獨特的結構和豐富的官能團而具有獨特的物理化學性質和出色的機械性質。最近，美國佐治亞理工學院林志群教授團隊Recent advances in polysaccharide‐based hydrogels for synthesis and applications透過利用一組生物相容性和可生物降解的多糖（即纖維素，藻酸鹽，殼聚糖和環糊精[CD]）著重介紹基於多糖的水凝膠的合成和應用的最新進展。首先，這種介紹了製作基於多糖的水凝膠的設計和合成原理。其次，總結了透過各種交聯策略（例如物理交聯，化學交聯和雙網路）相互連線的基於多糖的水凝膠。特別是，引入非共價和/或動態共價相互作用後，基於多糖的水凝膠將具有無數有趣的效能（例如，刺激反應和自我恢復）。第三，討論了基於多糖的水凝膠在自愈，感覺，超級電容器，電池，藥物輸送，傷口癒合，組織工程和生物成像領域的各種應用。最後，概述了促進未來設計以實現新功能和應用的基於多糖的水凝膠的觀點。

【圖文解析】

介紹

使用天然生物質資源材料的工程水凝膠已取得重大進展。近年來，隨著柔性材料在生物學上的應用發展以及對環境的關注，利用自然資源（例如，纖維素，藻酸鹽，殼聚糖和環糊精[CD]；圖1）製成的生物水凝膠已被廣泛地用作替代可再生材料，以緩解這種情況。日益嚴重的全球能源危機。這些材料可以歸類為由單糖重複單元組成的多糖生物質資源。它們在為生物提供能量方面起著至關重要的作用，並且很容易在植物，動物或微生物世界中發現。與合成聚合物對應物相比，多糖具有一系列引人注目的屬性，包括豐富，節省成本，生物相容性，無毒和可再生。此外，充足的羥基（-OH），羧酸（-COOH）或胺（-NH2）共價錨定在葡萄糖單元的外圍，從而為官能化和後修飾提供了一個通用平臺。

圖1 纖維素，藻酸鹽（為清楚說明起見，選擇了包含G和M重複單元序列的部分化學結構），殼聚糖和CD的化學結構。

多糖基水合物的合成

物理交聯的纖維素水凝膠

物理交聯的基於纖維素的水凝膠已被研究使用各種型別的帶有不同官能團的奈米纖維素。纖維素奈米晶體（CNC）是一類重要的具有高結晶區域的奈米纖維素，可以透過對粗纖維素進行酸水解來獲得。CNC表現出一維桿狀或晶須狀形態，其直徑範圍為3至50 nm，長度為50至500 nm。據報道，CNC在水溶液中具有部分分散性，因為在硫酸水解過程中表面引入了帶負電的-SO3H部分。由於靜電排斥的複雜性及其具有多分散性的棒狀形態，磺化的CNCs以大於12.6 vol％的濃度轉變為雙折射凝膠。不帶電荷的CNCs可以透過用鹽酸水解而獲得，但它們不能分散在水溶液中。為了提高氯化萘的分散性，通常採用表面氧化法，透過使用2,2,6,6-四甲基-1-哌啶基氧基（TEMPO）來獲得羧酸部分。羧基化的CNCs在低pH值下會形成凝膠，這是因為羧酸基團之間具有有吸引力的氫鍵，從而透過相互作用的CNC纖維形成滲濾網路（圖2（A））。此外，表面酸基團可以一步一步地透過醯胺化反應轉化為胺基。相反，由於胺和羥基之間的氫鍵作用，胺官能化的CNCs在高pH條件下顯示出水凝膠的形成。由於CNC凝膠的形成高度依賴於pH條件，因此它們很容易用於製造pH響應水凝膠（圖2（B））。

圖2 （A）在高和低pH條件下CNC-COOH和CNC-NH2之間擬議的相互作用的示意圖。（B）在pH為1，7和11時，2.7 wt％CNC-COOH和2.7 wt％CNC-NH2的水分散液的影象。

最近，將二元ZnCl2/CaCl2系統整合到纖維素水凝膠網路中以製備熱可逆水凝膠（圖3）。眾所周知，水合ZnCl2表現出非凡的氫鍵賦予能力，這源於其現有形式的離子液體（[Zn（OH2）6] [ZnCl4]）。特別地，Zn2+離子與纖維素鏈上的羥基配位，而另外五個H2O分子則圍繞Zn2+離子吸收。因此，第一水合殼的形成削弱了纖維素的固有氫鍵。這促進了纖維素在水溶液中的溶解過程。Ca2+離子充當膠凝劑，可與相鄰的Zn-纖維素連線區形成離子交聯和氫鍵。此外，甘油具有出色的氫鍵給體能力，可在30 s內引起快速膠凝。得益於非共價相互作用，纖維素水凝膠在加熱-冷卻迴圈處理後表現出可逆的溶膠-凝膠轉變。另外，水凝膠顯示出優異的抗凍效能（圖3（E）和3（F））。最近，雙膦酸酯（BP）基團透過光誘導聚合反應與纖維素衍生物結合。BP對Ca2+離子或氧化鐵（Fe3O4）奈米顆粒的動態絡合能力使其易於製備可注射的水凝膠。

圖3 （A）纖維素在ZnCl2 / CaCl2水溶液中的溶解和（B）三種纖維素水凝膠的製備及其組分的示意圖。纖維素水凝膠在不同條件下的外觀，（C）熱可逆性，（D）可重塑性，（E）在-10°C下良好的拉伸性。（F）纖維素水凝膠的動態力學分析（DMA）與溫度的關係。

小分子或聚合物在纖維素上的共價接枝是實現表面改性的另一種重要方法。由於纖維素表面帶有大量-OH基，它們可以輕鬆地與活性基團（例如異氰酸酯和環氧基）反應。最近，自由基聚合被用於在CNC上接枝聚（離子液體），CNC載入時透過離子相互作用和氫鍵鍵合可得到優異的基於PVA的機械水凝膠。更具體地說，透過先進的聚合技術接枝帶電的單體產生具有受控功能和結構的纖維素。來賓聚合物是透過單體，甲基丙烯酸二甲氨基乙酯（DMAEMA）和萘基官能化的甲基丙烯酸酯（NpMA）的表面引發的原子轉移自由基聚合（SI‐ATRP）製備的，產生了萘基官能化的聚合物刷（CNC‐g‐P（ DMAEMA-r-NpMA））。此後，將宿主分子葫蘆[8]尿素（CB [8]）引入到CNC-g-P（DMAEMA-r-NpMA）和紫精功能化的PVA（PVA-MV）的均質混合物中，客體相互作用推動了可逆交聯水凝膠的形成（圖4）。

圖4 （A）含有第一客體甲基紫精官能團（PVA-MV）的原理圖和體系結構，以及（B）含有第二客來萘基部分的共聚物接枝物（CNC-g-P（DMAEMA-r-NpMA））的CNCs。（C）CB [8]作為宿主基序。（D）基於CB [8]的三組分識別的選擇性超分子交聯將改性的PVA和CNC移植物結合在一起形成動態水凝膠。

化學交聯的纖維素水凝膠

動態共價鍵已被開發為設計自修覆水凝膠的有吸引力的交聯劑。纖維素可以直接用高碘酸鈉氧化以在表面形成醛基，醛基具有與胺基反應的巨大潛力，在室溫下可以高效地形成動態和可逆的亞胺鍵。此外，醛修飾的氯化萘（CHO-CNC）仍保持其剛性的棒狀形態。同時，透過醯肼與羰基的縮合，可將商業CMC輕鬆轉化為二醯肼改性的羧甲基纖維素（CMC-NHNH2）。當CHO-CNC與CMC-NHNH2混合時，在幾秒鐘內發生了牢固的交聯膠凝。在系統中新增醛改性的右旋糖酐（dextran-CHO）的第三種成分後，便製得了具有高穩定性的可注射水凝膠。張等透過將二硫代二丙酸酯二醯肼與CMC共軛，將二硫鍵引入纖維素中，然後新增二苯甲醛封端的PEG（PEG-DA）以在最佳條件下誘導凝膠化來製備CMC-NHNH2（圖5）。所得的水凝膠顯示出均勻互連的多孔結構（圖5（B））。

圖5 （A）前體溶液（CEC-TPH和PEG-DA）和所得水凝膠的照片。（B）水凝膠表面的AFM影象。（C）水凝膠的膠凝機理。（D）透過醯基hydr鍵的可逆斷裂和再生來動態水凝膠網路的示意圖。

雙網狀纖維素水凝膠

化學交聯的藻酸鹽基水凝膠

例如，將PBA接枝到海藻酸鈉（Alg-PBA）上以製備複合水凝膠。透過與PVA和Ca2+混合，藻酸鹽上的PBA可以與PVA反應形成動態的硼酸酯-二醇酯鍵，同時Ca2+可以與藻酸鹽螯合形成物理交聯（圖6）。

圖6 （A）由Alg-PBA和PVA形成的可自我修復的形狀記憶超分子水凝膠的示意圖。（B）pH響應性和（C）超分子水凝膠的形狀記憶效應。

雙網路藻酸鹽基水凝膠

上述化學交聯基於與藻酸鹽的反應，將第二個共價網路結合到水凝膠結構中被認為是透過與藻酸鹽網路的離子交聯結合來增強機械效能的潛在解決方案。最簡單的方法是使用共價網路水溶性單體（例如，AA，AM，NIPAM和苯乙烯磺酸鈉）和交聯劑（例如，MBA）的自由基聚合。透過將所有組分混合在一起，然後進行光誘導聚合，來使用雙網路混合水凝膠（圖7）。

圖7 三種類型的水凝膠的示意圖。（A）在藻酸鹽凝膠中，不同聚合物鏈上的G嵌段透過Ca2+（紅色圓圈）形成離子交聯。（B）在聚丙烯醯胺凝膠中，聚合物鏈透過MBA（綠色方塊）形成共價交聯。（C）在藻酸鹽-聚丙烯醯胺雜化凝膠中，兩種型別的聚合物網路透過PAM鏈上的胺基與藻酸鹽鏈上的羧基之間的共價交聯鍵（藍色三角形）纏結在一起。

殼聚糖水凝膠

殼聚糖和帶負電荷的表面活性劑的混合物在許多領域引起了特別的關注，因為表面活性劑的自組裝行為更為複雜。表面活性劑的濃度顯著影響帶負電荷的表面活性劑/聚電解質混合物的形態。最近，報道了膠束脩飾的殼聚糖水凝膠的機械效能。殼聚糖在低pH值下帶有質子化胺，因此所得的陽離子聚電解質可以透過靜電吸引作用由帶負電荷的膠束（由陰離子表面活性劑十二烷基硫酸鈉[SDS]形成）交聯（圖8）。

圖8 殼聚糖水凝膠的可切換交聯。中性多糖自組裝形成牢固的非共價晶體網路連線，賦予彈性。陽離子多糖可以透過可修復的SDS膠束進行靜電交聯，從而賦予其粘彈性。

雙網路殼聚糖基水凝膠

例如，由於殼聚糖和PAM網路之間存在氫鍵，短鏈殼聚糖可以改善透過AM和MBA共聚構建的PAM水凝膠的機械效能。最近，鄰苯二酚官能化的甲基丙烯醯殼聚糖（Ca-MC）和甲基丙烯醯殼聚糖（MC）被用作透過光引發聚合和鄰苯二酚-Fe3+螯合誘導的纖維素上乙烯基鍵的同時交聯來製備雙網路水凝膠的組分（圖 9）。

圖9 （A）透過同時聚合碳-碳雙鍵和鄰苯二酚-Fe3+螯合來交聯兩條不同的殼聚糖鏈的殼聚糖水凝膠形成新設計的示意圖。（B）殼聚糖水凝膠的光可交聯能力，注射能力，增強的組織粘附力和抗菌能力的多功能特性可幫助傷口癒合。

基於CD的水凝膠

CD是透過α-1,4-葡糖苷鍵連線的環狀低聚糖家族。根據分別為6、7和8的α-葡萄糖單位數，它們可以分為α-CD，β-CD和γ-CD。CD由於其固有特性而具有許多令人著迷的特性。例如，線性PEG可以穿透水溶液中的α-CD的內腔，並且由於α-CD之間的分子間氫鍵作用，聚合物鏈上的α-CD部分可以形成通道型晶體結構。產生的α-CD/ PEG域變成疏水性的，並透過疏水性相互作用充當物理交聯點，而未發現的PEG部分則是親水性的並充當連線鏈，從而導致水凝膠的形成（圖10（A））。例如，兩種基於PEG的末端龐大大分子單體可以穿透γ-CD，然後它們可以與NIPAM單體共聚，形成輪烷交聯（RC）的微凝膠。這些微凝膠表現出熱響應和pH響應的體積轉變，這是由於可變化的輪烷網路引起的熱響應PNIPAM嵌段和機械交聯點（圖10（B））。

圖10 （A）基於α-CD和PEG的超分子水凝膠形成的示意圖。（B）輪烷烷交聯的（RC）微凝膠，（C）環糊精基假輪烷交聯劑的示意圖和（D）RC凝膠的沉澱沉澱聚合改性程式。

值得注意的是，含CD的聚合物可以用作多功能交聯劑，它們可以與含客體的聚合物配合形成超分子水凝膠。這種可逆的宿主-客體相互作用賦予水凝膠以自愈特性。致力於開發自愈水凝膠。例如，透過醯胺化反應將氨基CD和氨基乙醯胺Fc部分接枝到線性PAA上，從而分別形成主體聚合物（PAA CD）和客體聚合物（PAA FC）（圖11）。在緩衝溶液中混合這兩種聚合物（PAA-6βCD/PAA-Fc），由於β-CD和Fc之間的主體-客體相互作用以及聚合物中的多點交聯作用，立即形成了水凝膠，並且它們表現出出色的自癒合特性。而PAA-6αCD不能與PAA-Fc形成凝膠，因為α-CD和Fc部分不匹配。由於Fc可被氧化成Fc+，因此生成的水凝膠在化學試劑（例如，用於氧化的NaClO和用於還原的谷胱甘肽[GSH]）或電化學反應（圖11（B）和11（C））下表現出溶膠-凝膠轉變。

圖11 （A）主體聚合物和客體聚合物的化學結構，以及溶膠-凝膠轉變的示意圖。（B）使用化學試劑的溶膠-凝膠轉變實驗。（C）使用電化學反應的溶膠-凝膠轉變實驗。電化學氧化（+1.0 V，相對於Ag/AgCl）將水凝膠轉化為溶膠，而還原則回收了凝膠。

參考文獻：doi.org/10.1002/agt2.21