比利时根特大学《Mater. Horiz.》综述：​生物启发的双网络水凝胶

【前沿背景】

生命有机体的功能从原子级别到宏观级别的自下而上的方法构造的，能够不断适应恶劣的环境。一些海洋生物能够吸收大量水，同时保持其结构完整性和机械性能。人体软组织能够有效分散并分散机械应力，同时承受较大的变形。它们出色的承受与其各向异性的机械行为有关，是由细微的可逆和/或非共价相互作用引起的。这种可逆的增韧机制是基于牺牲键以及凝胶状组织中有机成分内有序结构域的展开。水凝胶因其生物相容性、与生物软组织的相似性而成为用于组织工程最具代表性的生物材料。两个相互交联的网络组成的双网络（DN）水凝胶由日本北海道大学龚建萍提出，它兼具高强度和韧性。与常规DN水凝胶相比，类生物启发性DN水凝胶可模仿不同长度尺度的生物结构，在受损时能够快速自愈，具有良好的生物相容性，细胞相互作用及注射性。尽管类生物启发性DN水凝胶得研究取得了重大进展，但解决实际问题的生物启发性DN水凝胶的报道仍然有限。基于此，根特大学Richard Hoogenboom综述了生物启发DN水凝胶在各个领域的设计、合成和应用（图1），以及未来的挑战和前景。文章 Bioinspired double network hydrogels: from covalent double network hydrogels via hybrid double network hydrogels to physical double network hydrogels发表在《Mater. Horiz.》（DOI: 10.1039/D0MH01514H）

图1. 生物启发的DN水凝胶的应用。【图文介绍】1.生物启发的DN水凝胶由于牺牲键的动态性质，DN水凝胶具有韧性和自我修复能力，但这种牺牲键主要基于不可逆地断裂的共价键。至今已报道了多种DN水凝胶（图2）。

图2. 不同类型的生物启发水凝胶。2.共价双网络水凝胶DN水凝胶是通过两步顺序聚合方法合成的。在第一步组成的刚性和脆性网络是共价交联的。第二步形成的松散交联的、柔软而灵活的网络是在第一网络内部形成的。这种方法做出来的DN水凝胶有极高的强度和韧性。然而，第一网络极大地限制了DN水凝胶在生物系统中的应用。为了克服这个问题，龚建萍开发了一种合成DN水凝胶的通用方法，其中牺牲网络是使用“分子支架”由中性聚合物组成的，将线性聚电解质链或离子胶束引入第一个网络以增加复合中性凝胶的渗透压，从而导致高度溶胀，弱而脆的凝胶。然后通过聚合第二种前体溶液获得DN水凝胶（图3）。

图3聚电解质聚合物如何通过“分子支架”策略促进中性聚合物形成双网络水凝胶。龚建萍团队最近还开发了可抵抗多个机械应力循环的共价交联DN水凝胶（图4）。凝胶中的共价交联可被机械破坏，同时通过机械化学生成自由基，外部供应单体和交联剂构建新网络。通过在变形强化过程中使用功能性单体，可赋予DN水凝胶响应性。此外，陆续报道了用作人工生物的共价DN水凝胶（如诱导体内自主软骨再生的支架）；液体洗涤和热灭菌后机械性能不会改变的共价DN水凝胶；溶胀性能、强度极高、同时具有静电网间物理交联键的共价DN水凝胶。

图4 （A）代谢循环肌肉变强壮。（B）当施加机械刺激时，组织可以恢复或显示出改善的机械性能。（C）首先施加机械应力以破坏脆性网络，从而导致生成可以触发单体聚合以形成新网络的。3.非共价物理双网络水凝胶共价DN水凝胶在遭受较大的机械变形时，材料不可逆转且永久性损坏，从而导致材料的整体机械性能将下降。用物理交联取代共价交联不仅有益于调节交联动力学，还具有刺激响应性以及自愈和自我恢复的特性。非共价键使材料具有更好的抗断裂性能杂化DN水凝胶：非共价相互作用形成第一个网络，然后形成第二个共价交联网络。第一个网络中的物理交联键是可逆的牺牲键，可增强水凝胶的韧性，同时具有滞后性和自愈性。第一种：基于金属离子配位的DN杂化水凝胶。物理交联键是特定的金属离子可以与能够提供孤对电子的配体形成配位键（图5）；第二种：基于氢键的杂化DN水凝胶，较大的氢键团也可作为DN水凝胶中的“牺牲键”。第三种：基于疏水相互作用的杂化DN水凝胶。疏水缔合在自然界无处不在，对于细胞膜，蛋白质折叠以及水中的许多其他生物组装至关重要。第四种：基于主-客体相互作用的杂化DN水凝胶（图6）。客体与客体之间的络合是通过将客体分子包含在大环主体中发生的。尽管在动态单网络水凝胶的合成中广泛使用了主体与客体的相互作用，但它们在DN水凝胶中用作物理牺牲键的报道仍很少。

图5 （a）藻酸盐-Ca ²⁺ / PAAm杂化DN水凝胶的合成策略。（b）用杂合DN水凝胶治疗的严重颅脑损伤。

图6 不同类型水凝胶的示意图。物理DN水凝胶。尽管杂合DN水凝胶具有良好的机械强度和韧性，但由于聚合物链扩散缓慢，它们无法自修复。另外，由于化学交联网络中不可避免的共价键的断裂，无法完全抑制不可逆损害。物理DN水凝胶的两种网络都是基于两种正交类型的非共价相互作用形成的，以制造坚韧而快速的自修复水凝胶。与共价DN水凝胶和杂化DN水凝胶相反，物理DN水凝胶基于两个网络中的“可逆链缔合-解离”机理来实现其韧性和自愈性。这样，两个物理交联的网络都可以在水凝胶变形期间参与能量耗散。第一种：基于金属离子配位的物理DN水凝胶。受天然系统的启发，可逆性和非共价金属离子配位作为一种牺牲键制造具有高机械强度和韧性的物理DN水凝胶的方法越来越受到关注，该水凝胶具有极好的机械性能，如加工性，动态适应性和自愈能力（图7）。

图7藻酸钠/聚（丙烯酰胺-共-丙烯酸）/ Fe³⁺（SA/P（AAm-co-AAc））DN水凝胶。第二种：基于氢键的物理DN水凝胶。通常第二网络组分通过氢键与第一网络的亲水性中间嵌段缔合。即使不形成交联网络，这种缔合也导致其固定在物理DN水凝胶中。变形时，氢键断裂并耗散能量，从而产生坚韧的物理DN水凝胶。与常规的DN水凝胶相比，就网络稳定性和机械强度而言，氢键结合的物理DN水凝胶是有前途的材料。第三种：基于疏水相互作用的物理DN水凝胶。疏水缔合可在制备坚韧且可自愈的DN水凝胶时充当可逆的链缔合-解离网络。因为疏水链段和胶乳颗粒的动态物理交联会耗散大量能量，物理DN水凝胶具有优异的机械性能。

图8 具有双重物理交联网络的疏水缔合的交联PAAm（HPAAm）–HLP /藻酸盐–Ca²⁺ DN水凝胶的合成。第四种：基于宿主-客体相互作用的物理DN水凝胶。尽管宿主与客体之间的相互作用作为超分子化学和先进材料的驱动力而受到广泛关注，但大多数将其用于超分子水凝胶的研究，仅限于制备物理单网络水凝胶和双交联单网络水凝胶。因此，宿主-客体复合物作为可逆缔合-解离键、快速自我修复、注射性和细胞相容性物理DN水凝胶的开发仍有挑战性。生物启发DN水凝胶的挑战作者最后讨论了生物启发性DN水凝胶的开发所面临的挑战和成功及其在生物医学应用中的潜在进展。1、具有生物相容性或具有剪切稀化和自愈特性的生物启发性DN水凝胶仍处于起步阶段。2、基于天然聚合物的生物启发性DN水凝胶的可重复性是未来应解决的关键问题，因为这些聚合物具有不同的特性，且批次之间存在差异。3、构建具有与生物系统相似特性的生物相容性和功能性DN水凝胶仍然面临挑战。4、开发坚韧的物理DN水凝胶仍然是该地区的主要挑战。5、开发具有良好粘合性和可注射性的DN水凝胶是其在生物医学用途的主要挑战。6、将多功能生物启发的DN水凝胶与另一种功能（如电导率，磁性或发光特性）结合在一起，从而使其应用在柔性应变传感器、热机械传感器、双传感器和电致发光设备，是未来非常热门的研究领域。

信息来源: 高分子科学前沿

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