各向異性水凝膠的制備和應用

郝婉瑩

(陽煤集團太原化工新材料有限公司，山西 太原 030000)

引 言

水凝膠是一類富含水的由三維交聯聚合物網絡組成的軟材料。水凝膠具有類似于生物組織的富水軟結構，有望在生物醫學中得到廣泛的應用[1-3]。如，水凝膠為細胞培養提供了平臺，因此在基于干細胞的組織工程中發揮著關鍵作用[4]。此外，水凝膠被認為是人工器官有前途的替代品[5]。最近，關于聚合物網絡結構的研究使得具有優異力學性能的水凝膠的合理設計成為可能，這使得實現再生醫學應用的長期目標更加可能。

生物系統和合成水凝膠之間的相似性經常被強調，但值得注意的是它們的結構和性質有很大的不同。大多數水凝膠是通過聚合反應或在水介質中均勻溶解的分子組合而成，因此，合成的聚合物網絡通常是各向同性的。相反地，許多生物系統具有明確的分層結構，這些結構在宏觀長度尺度上具有各向異性，如，肌肉、皮膚和關節軟骨。在生物系統中，各向異性在實現某些功能上往往發揮著至關重要的作用，包括傳質、表面潤滑和力的產生。一個典型的例子，肌收縮是肌動蛋白和肌球蛋白在肌肌節中各向異性排列的結果[6]。并且，培養介質的各向異性結構對細胞的增殖、遷移和分化有很大的影響。

考慮到這些方面，各向異性水凝膠無疑為探索水凝膠的仿生應用提供了一個很好的切入點。到目前為止已經報道了各種類型的各向異性水凝膠。為了制備具有各向異性微觀結構的水凝膠，最常用的方法是在前驅體彌散中定向1D或2D納米填料，并通過凝膠化過程固定各向異性結構[圖1a)]。同時，最直接的方法是用一直能夠各向異性的方法來固定聚合物網絡的鏈的方向式[圖1b)]。此外，當水凝膠具有管道狀的空隙時，這些管道的單向取向也會使水凝膠呈現各向異性[圖1c)]。本文對最近報道的各向異性水凝膠的合成、結構和應用進行了分類和討論。

圖1 各向異性水凝膠的分類

1 各向異性水凝膠的制備

各向異性水凝膠的合成一般采用方向刺激，如，機械力、磁場和電場、溫度梯度和離子梯度等。本節介紹這些合成方法的范圍和局限性，根據水凝膠的類型應選擇合適的制備方法。

1.1 具有定向納米填料的各向異性水凝膠

當分散在水介質中的納米填料被剪切時，納米填料傾向于使其長軸平行于剪切方向第17頁圖2a)。由此產生的定向結構不是永恒的，可以通過事先加入分散體的單體原位聚合轉化為各向異性水凝膠[7-12]。通過水凝膠化固定結構也適用凝膠的物理聚集。剪切力取向由于其簡單、容易，已廣泛應用于合成含有各種1D或2D形狀納米填料的各向異性水凝膠，包括天然或合成肽納米纖維、纖維素納米纖維、表面活性劑雙層、無機納米填料等。由于這種方法的局限性，剪切力不能均勻地施加在厚試樣上，加工過程中偶爾會出現重復性低的問題，特別是手工施加剪切力時。

電場還可以永久地使納米填料取向或誘導偶極矩與外加電場平行排列。各向異性水凝膠是由電定向分散體原位水凝膠合成的[圖2b)]。特別是，微模式電極使定向納米填料在水凝膠薄膜中的精確定位成為可能，從而提供其他方法通常難以獲得的分層結構。需要注意的是，電場可能會引起不需要的電化學分解和電泳。為了避免這些問題，往往需要對電壓、電流頻率、試樣厚度等條件進行優化。到目前為止，電定向法已經被用于合成含功能化碳納米管、黏土納米片、納米銀線、絲納米纖維、和鈦酸鋇顆粒的各向異性水凝膠[13-15]。

與電場類似，磁場可用于制備各向異性水凝膠，其中，納米填料的磁化軸與外加磁場平行或反平行[圖2b)]。與剪切力和電場不同，磁場可以以非接觸、非破壞性的方式施加，并且可以深入均勻地滲透到試樣中。因此，磁性取向很容易應用于制備厚度較大或尺寸較大的體積各向異性水凝膠。當納米填充物是鐵磁性或順磁性的，甚至是手持式的強度小于1T的磁鐵場均可以有效地定向這種納米填料。如，磁鐵礦顆粒、鋇鐵氧體和羰基鐵以及鎳棒和磁性涂層氧化鋁片晶。雖然這種弱的手持式磁體一般不足以定向抗磁性納米填料，但超導磁體[16-18](強度達幾特斯拉)可以有效地定向它們，如，肽納米纖維、多糖、功能化碳納米管、膠束、脂質雙層、石墨烯氧化物、無機納米薄片等。近年來，超導技術的進步使得這種強磁體易于獲得，這種方法得到了廣泛的應用。

即使在沒有方向刺激的情況下，一些高縱橫比的納米填料在其水分散體的過濾過程中也會自發地進行定向，從而形成各向異性水凝膠。在這種情況下，取向是由納米填料的固有特性引起的，即使其長軸平行于固液界面。

圖2 各向異性水凝膠的制備方法

1.2 具有定向聚合物鏈網絡的水凝膠

為了合成具有定向聚合物鏈網絡的水凝膠[圖1b)]，必須對未捆綁的聚合物鏈進行定向，這些聚合物鏈太小，無法對剪切力、電場和磁場的方向刺激作出反應。這里最常見的方法是機械變形凝膠網絡。當由簡單的聚合物鏈網絡組成的各向同性水凝膠被單向壓縮或拉伸時，凝膠網絡相應地發生各向異性變形[圖2c)]。可以通過原位聚合來固定由此引起的時間各向異性，從而得到各向異性水凝膠。在某些情況下，由于體系的塑性性質，壓縮或拉伸引起的變形不發生原位聚合而保持原位不變。由于該方法的局限性，作為前驅體的各向同性水凝膠必須承受較大的力，才能使凝膠網絡發生足夠的變形。

作為一種替代方法，定向離子擴散也可以制備定向聚合物鏈網絡的水凝膠[圖2d)][19-22]。通常，容器中充滿陰離子聚合物的水溶液，容器的一端與含有多價陽離子的水溶液接觸，使陽離子定向擴散。隨著擴散的進行，陰離子聚合物鏈呈各向異性交聯，形成具有定向聚合物鏈網絡的水凝膠。各種陰離子聚合物被用作這種網絡的組成部分，包括多糖、海藻酸、海藻酸葡聚糖和合成的聚(磺酸)。如，Ca2+、Zn2+、Cu2+、二價離子等作為它們的對應陽離子被使用。盡管這一合成過程簡單，但擴散方向與聚合物鏈取向之間的關系尚未得到明確的闡述。此外，合成的水凝膠的交聯密度是不均勻的，沿擴散方向呈梯度分布。

1.3 具有定向空腔通道的水凝膠

以定向生長的冰晶為模板可以合成具有定向空腔通道的水凝膠[圖1c)][23-24]。當裝滿單體水溶液的容器從一端緩慢浸入液氮浴中時，單體集中在非晶區域，冰晶從浸入端單向生長。這些結構域內的單體可以高效聚合，冰晶作為多孔結構的模板[圖2e)]。合成的水凝膠具有與凍結方向平行排列的微米級通道。由于通道相對較寬(幾微米)，因此生成的水凝膠是半透明的，且不均勻。不僅可以利用冰晶，而且可以利用醋酸鈉晶體在室溫下定向生長，作為定向空腔通道的模板。該方法合成的水凝膠往往表現出顯著的各向異性。

1.4 具有各向異性微組裝結構的水凝膠

本文主要介紹了自底向上方法合成的各向異性水凝膠。然而，最近的以光刻和3D打印為代表的自頂向下微加工技術也可以制備出與上述方法類似的具有復雜微觀結構的水凝膠[25]。盡管可伸縮性始終是個問題，但自頂向下的方法有時比自底向上的方法更具可編程性。

在光刻法制備中，含有單體和光引發劑的母水凝膠通過光刻掩膜暴露在光下，使聚合發生在選定的區域，具有較高的定位精度。不同單體的分步光聚合可形成相互疊加的具有復雜多微結構的各向異性水凝膠。

水凝膠3D打印技術可用于制備復雜形狀的水凝膠。水凝膠前體油墨必須柔軟，便于注射，但要保持其形狀，必須能夠獨立，并能在光輻照等刺激下迅速凝膠化。當水凝膠前驅體包含高縱橫比的納米填料(如，纖維素納米纖維)時，前驅體從打印機噴嘴擠出，納米填料可以通過剪切力定向[26]。因此，可以得到獨特的層次結構。

2 各向異性水凝膠的應用

許多天然組織都具有定向結構，如，肌肉、肌腱、神經、關節軟骨、韌帶、脊髓等，這與它們的生理和機械功能密切相關。在本節將討論所選的各向異性水凝膠，在機械、驅動、傳質、細胞培養和電導率等方面表現出的獨特性能。

2.1 各向異性的機械性能

在過去的二十年中，已經開發出了許多機械韌性水凝膠，如，雙網型、滑環型、黏土納米復合水凝膠等。之后，機械各向異性成為該領域的一個重要挑戰。評估水凝膠的力學各向異性的參數叫做各向異性系數，分別測量其平行于水凝膠方向和垂直于水凝膠方向的物理性質(彈性模量、最大斷裂應力、應變、斷裂能量等)，兩個方向的物理參數之比稱為各向異性系數。

含有各向異性取向的一維和二維納米填料的水凝膠也傾向于表現出機械各向異性。由于各向異納米填料與凝膠網絡之間的非共價吸引相互作用，以各向異性的方式使得交聯點的數量增多，因此這種各向異性納米填料通常用作水凝膠的增強劑。所以，強化優先發生在納米填料的長軸上。如，Shikinaka等報道了一種含有剪切流導向柱狀無機黏土納米管的水凝膠在拉伸試驗中表現出3.0的模量各向異性。同樣，西田文雄等報道了一種含有定向膠原纖維的水凝膠，經滾子剪切后，其模量各向異性可達7。

關節軟骨一直被認為是機械各向異性材料的理想模型。其優異的力學性能源于靜電斥力，靜電斥力在其組分(蛋白聚糖)之間各向異性作用，使接觸關節組織的界面機械摩擦即使在高壓縮下也能得到潤滑[27-28]。這種設計策略與大多數基于吸引力的合成固體材料的設計策略形成了對比。受關節軟骨設計的啟發，Ishida、Aida等開發了一種帶有鈦酸鹽離子納米薄片的水凝膠，它具有磁性。與其他氧化物納米片不同，鈦酸鹽納米片與外加磁場垂直排列，形成納米片的共面排列，可產生最大的靜電斥力。在水凝膠中，各向異性靜電斥力使摩擦沿一個方向衰減，同時增強與該方向正交的材料，導致力學各向異性;剪切和壓縮試驗的模量各向異性分別為4.3和2.6。由于這種特殊的力學各向異性，水凝膠在平行于納米薄片的振動方面表現出良好的性能。

2.2 各向異性的驅動性質

人工肌肉是材料科學的一個長期目標，水凝膠致動器被認為是最有前途的選擇[29]。當以響應外力的聚合物合成水凝膠時，周圍水溶液(如，溫度、pH值、化合物濃度)的變化會引起聚合物鏈的構象轉變，導致凝膠網絡的膨脹和收縮，進而引起水凝膠體積的變化。基于這一機理，目前已開發出許多水凝膠致動器。其中，聚(n-異丙基丙烯酰胺)(PNIPA)是該類水凝膠致動器中研究最為頻繁的構件，在32 ℃左右的水中，其相變劇烈且可逆[30]。

由于大多數水凝膠致動器在結構上是各向同性的，所以它們的體積變化在各個方向上都是一致的。這不適用于在一個特定方向上獲得最大的力和(或)位移。要解決這個問題，一個簡單的方法是使用機器工程技術。例如，雙晶結構可以通過彎曲變形將小體積變化放大為大位移。雖然雙晶結構的變形僅限于簡單的彎曲，但最近的自頂向下的技術，如光刻和3D打印可以實現復雜的或程序化的變形。另一種方法是使用內部各向異性微觀結構，這種方法是自頂向下方法的補充，對于下一代水凝膠驅動器的創建是不可缺少的。

在一項基于內部微觀結構的各向異性水凝膠致動器的開創性研究中，Sun等開發了一種PEG-PNIPA雜化水凝膠。利用冰晶的定向生長，在peg基水凝膠的定向溝道狀空隙中形成了基于PNIPA的熱響應網絡。混合水凝膠加熱20 ℃～45 ℃后發生各向異性收縮，在正交于定向通道的方向上，水凝膠收縮了50%，而沿著通道的收縮只有5%。這表明，基于PEG的支架在平行于通道的方向上限制了PNIPA網絡的收縮。為了實現更復雜的變形，結合雙晶結構和各向異性的微觀結構是一種非常有效的方法，Studart等證明了這一點。他們使用含有磁性取向氧化鋁片晶的纖維素或PNIPA基水凝膠條作為雙形態的成分，由于氧化鋁片晶被超順磁性氧化鐵納米顆粒以最佳比例覆蓋，因此即使在非常弱的磁場(110 mt)下，它們也可以定向。氧化鋁片晶的方向雙晶水凝膠的上、下條帶不同，導致其變形形態不同。通過系統地調整上下條帶中片晶的取向角，對雙晶型的變形模式進行編程，使其發生卷曲和左右扭轉。

Mahadevan、Lewis等利用3D打印技術成功開發出可編程仿生水凝膠致動器。如上所述，由于水凝膠前體中加入的纖維素納米纖維在3D打印過程中是剪切取向的，因此水凝膠在微觀結構上是各向異性的。當不同方向的水凝膠接觸時，它們形成類似于雙金屬恒溫器的結構。利用水凝膠的固有參數，如膨脹應變和彈性模量，可以對組合后的弦的變形進行預測和設計。隨著膨脹程度的改變，水凝膠發生了各種程序性的變形，包括花的開閉樣運動。Kumacheva等利用光刻技術將平面水凝膠片轉化為多個不同形狀，其中涉及到聚合物組成不同的多個域。水凝膠片在受到各種刺激(如，pH值、離子濃度和溫度的變化)后發生膨脹和收縮，表現為平面、螺旋、圓柱、彎曲和鼓形等不同形狀。

水凝膠致動器通常是通過其體積的變化來操作的，這涉及到水的吸收和釋放。由于水凝膠表面輸運緩慢，該機制存在驅動慢、重復性低、工作條件范圍窄等局限性，通常僅在水中進行。2015年，Ishida、Aida等研制出一種各向異性水凝膠致動器，該致動器通過開發一種前所未有的機制，即調節內部靜電斥力，解決了上述問題。水凝膠由含有磁性取向鈦酸鹽納米薄片的PNIPA網絡組成，在較低的臨界溶液溫度(LCST)以上加熱時，PNIPA網絡發生脫水，釋放大量自由水分子，導致共面取向納米薄片之間的靜電斥力陡增。因此，水凝膠在1.5 s內沿垂直于納米板平面的方向膨脹了170%。冷卻后1.5 s內發生了相反的變化。這些變形是等容的，不涉及水的吸收或釋放，因此即使在戶外也可以快速操作。利用該系統的可編程性，作者利用傾斜幾何形狀的共面二維電解質納米薄片還演示了一個水凝膠物體的單向處理運動。

2.3 各向異性的傳質性能

由于水分子內部具有半流體性質，水凝膠允許小分子在水凝膠基質中擴散和滲透，通過凝膠網絡的結構和性質可以合理調節水凝膠的擴散和滲透速率。這些特性使水凝膠成為各種生物醫學應用的有希望的材料，包括作為膜、藥物載體和組織工程的支架。基于這些方面，水凝膠的各向異性擴散問題無疑引起人們的廣泛關注。

在一項開拓性的研究中，Schmidt、Finkelmann等報道了在含有磁性取向層狀溶性液晶的水凝膠中各向異性水擴散。溶解性液晶由水(約60%)與PEG鏈和芳香基團(約40%)組成的可聚合雙親分子(約40%)混合而成。在磁場的作用下，液晶層垂直于所施加的磁場，隨后兩親體的原位聚合制備了目標水凝膠。采用脈沖場梯度技術進行核磁共振波譜分析，確定水凝膠中水分子沿液晶層法線平行和垂直方向的自擴散系數分別為0.4×10-10m2s-1和5.3×10-10m2s-1。水擴散的各向異為13，說明在層間擴散優于沿層擴散。基于同樣的技術，觀察到水分子在另外兩種水凝膠中的各向異性擴散，一種是含有磁取向六邊形柱狀溶性液晶的水凝膠，另一種是多糖硼砂水凝膠，多糖硼砂水凝膠被機械壓縮以進行各向異性誘導。

核磁共振波譜可以用來定量評價介觀尺度上擴散的各向異性，而宏觀尺度上的各向異性則可以通過監測染料分子的擴散來實現。例如，Sun等報道了一種具有定向溝道狀空隙的PEG基水凝膠中，染料分子即使在厘米尺度上也具有高度方向控制的擴散，這是一種典型的力學各向異性水凝膠。如2.1所述，該凝膠含有直徑為1 050 mm的定向通道。當染料(羅丹明B)的水溶液滴在水凝膠表面時，染料優先通過通道擴散。Zhang和Barrow也做了類似的實驗，他們從甲基丙烯酸低聚糖(乙二醇)中合成了一種具有定向溝道狀空隙的水凝膠。

雖然染料擴散實驗直觀地反映了擴散的各向異性，但不是定量的。最近，Liu等報道了利用擴散隔膜細胞定量分析各向異性水凝膠的滲透過程。橫膈膜由一個供體腔室和一個受體腔室組成。供體腔室中充滿了一種模型藥物的緩沖溶液(如，肌酐、維生素B12、細胞色素c或牛血清白蛋白)。用含有磁性氧化鐵納米顆粒的各向異性PVA基水凝膠將這些分隔開，根據紫外吸收監測的受體室模型藥物濃度隨時間的變化，確定各模型藥物的滲透系數。對于所有藥物，平行于定向氧化鐵納米顆粒的滲透率大約是垂直方向滲透率的兩倍。考慮到氧化鐵納米顆粒在外加磁場下的潛在重定向能力，這種水凝膠有望成為具有可切換滲透和擴散特性的生物膜和藥物載體。

2.4 各向異性的細胞培養

水凝膠為再生藥物、體外組織模型和藥物輸送載體提供了有前途的支架，因為它們很好地模擬了天然細胞外基質的富水、柔軟和生物相容性環境。各向異性水凝膠是一種較先進的細胞培養基，因為其定向的微觀結構可以影響細胞的行為，如黏附、增殖和分化。近年來，越來越多專為細胞培養應用而設計的各向異性水凝膠得到報道。

Stupp等報道了由剪切取向的多肽雙親和絲組成的各向異性水凝膠中的細胞排列。將兩親性肽的水溶液從移液管中擠壓到含鹽介質中，形成面狀水凝膠線，其中，兩親性肽的納米纖維剪切方向可達厘米級。水凝膠可以容納間充質干細胞，以添加到肽雙親的前體溶液。在合成的水凝膠中，胞體和絲狀偽足被重新定向平行于肽雙親納米纖維。同樣，心肌細胞也被包裹在水凝膠串中。10 d后，細胞的動作電位可檢測到，并在整個宏觀結構中傳播，提示心臟連續合胞體的形成。該研究組還成功地將平滑肌細胞包裹在類似的各向異性水凝膠中，制備成適合動脈細胞支架的管狀。同樣，Nazhat等使用剪切型膠原水凝膠定向培養成纖維細胞間充質干細胞。定向離子擴散合成的各向異性水凝膠也是獨特的細胞培養基。Weidner等使用各向異性的藻酸鹽Ca2+水凝膠定向控制軸突的再生。值得注意的是，各向同性水凝膠支架不能縱向再生軸突。

各向異性導電水凝膠可作為生物相容電極和導體應用。特別是近年來，其作為智能細胞培養基的應用備受關注，在智能細胞培養基中，細胞可以受到電刺激。Matsue、Khademhosseini等報道了一種甲基丙烯酸凝膠基水凝膠，它含有碳納米管(CNTs)，通過施加電場，碳納米管呈各向異性取向。水凝膠的導電性各向異性約為40。作為骨骼肌細胞生長的培養基，垂直方向的CNTs水凝膠比隨機方向和水平方向的CNTs水凝膠提供了更多的功能性肌纖維。另外，在定向的碳納米管上施加電刺激可以促進細胞生長。這樣的電刺激也增強了小鼠胚胎體的心臟分化。

作為一種更加面向工程的方法，Tang、Dokmeci等還報道了一種含有定向碳納米管微電極的水凝膠。在催化過程中，將硅片上的鐵顆粒微圖案生長成碳納米管，然后將其整合成雙形態水凝膠。然后,在水凝膠上培養心肌細胞，得到細胞水凝膠雜交，細胞組織均勻，細胞間偶聯增強，成熟程度可達厘米級。因此，該混合材料對集成的碳納米管微電極陣列提供的外部電場進行控制驅動。值得注意的是，激發閾值高度依賴于外加電場的方向；平行電場對CNTs(0.8 V∶0.03 V)的閾值比垂直電場(3.7 V∶0.3 V)低5倍，因此各向異性導電水凝膠為組織再生和細胞治療提供了非常有希望的平臺。

3 結語

越來越多的報道表明，各向異性水凝膠無疑已成為最重要的一類軟材料。它們的合成和表征現已建立，并實現了與生物系統類似的各向異性性能，如，機械韌性、驅動、質量輸運和細胞培養的使用。然而，對于它們潛在應用的研究，我們才剛剛起步。應該在以下方面進行進一步研究。

1) 通過自底向上和自頂向下合成方法的組合，制備分層集成的各向異性水凝膠；

2) 梯度結構各向異性水凝膠的合成；

3) 水凝膠與包括有機凝膠在內的其他材料的各向異性雜交；

4) 具有化學燃料的自主水凝膠制動器；

5) 在各向異性水凝膠里的三維細胞培養。