智能水凝胶的研究进展*

杨 猛，周树柏，刘凤岐

(1.抚顺哥俩好化学有限公司，辽宁 抚顺 113217；2.吉林大学 化学学院，吉林 长春 130012)

水凝胶是一类含有亲水基团能在水中溶胀而不溶解的具有三维网络结构的高分子聚合物，是一种特殊的软湿性材料。智能水凝胶是指在外界环境发生变化时(如温度、pH值、电场、溶剂性质、光强度和光波长、压力、离子强度等)凝胶的性质随之发生相应的变化。近年来很多研究工作者对具有环境响应性水凝胶的研究做了大量报道。根据智能水凝胶对环境的响应情况可以分为：单一响应性水凝胶、双重响应性水凝胶和多重响应性水凝胶。单一响应性水凝胶根据不同的响应情况又可以分为：pH敏感性水凝胶、温度敏感性水凝胶、光敏感性水凝胶、电场敏感性水凝胶、磁敏感性水凝胶、化学物质敏感性水凝胶等。水凝胶尤其是智能水凝胶由于其迷人的性质及潜在的应用引起广大科技工作者的研究兴趣。

1 pH敏感性水凝胶

pH响应水凝胶是最重要、研究最为广泛的响应性水凝胶之一。pH敏感性水凝胶能随着外界pH值变化而发生性质改变(如溶胀度、形状等)，通常在凝胶的聚合物链上含有可离子化的酸性或碱性基团，如羧基、磺酸基或氨基等。当外界的pH值发生变化时，这些基团发生电离造成聚合物链内或链间氢键相互作用、离子相互作用及聚合物内外的离子浓度、聚合物与溶剂间的相互作用发生变化，从而导致凝胶网络结构发生变化引起聚合物链蜷缩或伸展，反映在宏观上则是水凝胶发生体积相变即对外界pH值的变化产生了响应。这类凝胶按照解离基团的类型可分为阴离子、阳离子和两性离子3种类型。3种凝胶通常情况下随pH值变化时溶胀度的变化规律见图1[1]。

pH值图1 不同类型pH敏感凝胶的通常的相变行为

阴离子型pH敏感水凝胶的可离子化基团通常为羧基，对于丙烯酸类水凝胶而言，在低pH值溶液中凝胶处于收缩状态，pH值升高至中性时，凝胶的溶胀度迅速增大，当溶液的pH值再升高至强碱时凝胶又开始收缩。这是由于介质的pH值较低时，凝胶中可离子化基团几乎不离解，体系内没有静电斥力的作用，同时在此时阴离子基团之间存在较强的氢键作用使得分子链收缩，因此凝胶的溶胀度很低；随着pH值的升高，可离解基团迅速解离，离子间的静电斥力使得分子链伸展凝胶网络变大，溶胀度开始变大；当pH值继续升高至强碱时，此时离解完全而且凝胶内、外离子浓度基本相等，凝胶内外的渗透压趋于零，凝胶逐渐收缩。H M Ni等人[2]在乙醇溶液中通过自由基共聚合丙烯酰胺-甲基丙烯酸-N,N亚甲基双丙烯酰胺制得具有pH-体积突变型的凝胶微球，研究了凝胶组成、反应条件对pH-相变行为的影响。刘海清等人[3]将丙烯酰胺-马来酸酐共聚物溶液电纺丝制成纳米纤维，以二甘醇为交联剂通过热引发酯化交联的方式制备了纳米纤维水凝胶，由于聚马来酸酐的两步解离使得该凝胶在pH=2.5和8.5处显示出2个明显的溶胀度增大过程。

阳离子型pH敏感性水凝胶的可离子化基团通常为氨基(如N,N-二甲基/乙基氨乙基甲基丙烯酸甲酯、丙烯酰胺和乙烯基吡啶等)，这类凝胶pH敏感性主要来源于氨基的质子化，氨基越多水凝胶亲水作用越强，平衡溶胀度越大。其溶胀机理与阴离子型相似，这类凝胶在低pH值时溶胀度大，高pH值时溶胀度小。M Yi等人采用辐射聚合的方法制得了N,N-二甲基氨乙基甲基丙烯酰胺-二烯丙基二甲基氯化铵共聚物水凝胶[4]及N A Mazied等人[5]制备的N,N-二甲基氨乙基甲基丙烯酰胺-乙二醇二甲基丙烯酸酯共聚物水凝胶均随着pH值的增大，凝胶溶胀度降低并且在pH=2～4时发生体积相转变。

两性pH敏感水凝胶则同时含有可解离的酸碱基团，其pH值敏感性来源于分子链上这2种基团的离子化作用。低pH值时碱性基团离子化，高pH值时酸性基团离子化，故两性水凝胶在酸碱溶液中均有较大的溶胀度，而在中性时溶胀度较小。H M Ni等人制备的丙烯酰胺/甲基丙烯酸/二甲基氨乙基丙烯酸酯微凝胶[6]、S A Sukhishvili等人[7]制备的聚甲基丙烯酸/聚乙烯基吡咯烷酮凝胶胶囊、王吉德等人[8]制备的羧甲基壳聚糖/聚2-二甲基氨乙基甲基丙烯酸酯半互穿网络水凝胶中均同时存在可离子化的羧基和氨基，表现出在酸性条件下随着pH值的增加凝胶溶胀度降低而在碱性时随着pH值的进一步升高凝胶的溶胀度随之升高，随pH值的变化凝胶的溶胀度呈现典型的两性离子水凝胶的“V”型变化。在酸性条件下氨基的离子化羧基、在碱性条件下羧基离子化使得在酸碱条件下凝胶体系中均存在静电排斥作用使得凝胶分子链趋于伸展，凝胶的溶胀度大；而在中性时(4

2 温度敏感性水凝胶

温度敏感性水凝胶在环境温度发生变化时发生响应，凝胶自身的性质发生改变(溶胀度、透光率等)。由于温度变化(刺激)不仅在自然情况下存在，而且很容易靠人工实现，温度敏感性水凝胶因此是研究最为广泛的一类智能水凝胶。目前研究较多的是随着温度的变化凝胶发生溶胀度、透光率的变化：凝胶的溶胀度在很小的温度变化范围内发生数十倍的变化甚至不连续的突变，或是凝胶透光率发生突变即出现透明-不透明的转换，均可定义为发生相变行为。该水凝胶存在一定的亲疏水基团或分子链间的氢键作用，温度的变化可以影响基团间的疏水作用及分子链间的氢键作用，从而使凝胶的结构改变即发生相变行为，这一温度称为相变温度。温敏性水凝胶对温度变化的响应通常有2种类型：正向温度敏感水凝胶，逆向温度敏感水凝胶。2类凝胶的性质(体积/相变/透光率)随温度变化的示意图见图2。

图2 正、逆向温敏凝胶随温度变化的示意图

正向温度敏感水凝胶在温度低于相变温度时凝胶处于收缩或不透明的状态，在相变温度以上时凝胶处于膨胀或透明的状态，这里将这个相变温度称之为高临界溶解温度(UCST)。凝胶的溶胀度/透光率在UCST附近随着温度的升高而突变式的增大，反之亦然。正向温度敏感水凝胶通常由丙烯酸-丙烯酰胺共聚物或聚丙烯酸-聚丙烯酰胺、聚丙烯酸-聚乙二醇(半)互穿网络组成。这类凝胶的相变行为是由分子间氢键的形成-解离所引起的：在环境温度低于UCST时，羧基-氨基/乙氧基之间形成强的氢键作用使得分子链处于收缩的状态对外表现出溶胀度低或凝胶不透明；而一旦环境温度高于UCST时，分子链间的氢键作用快速解离使得分子链伸展表现出溶胀度迅速升高或凝胶转向透明。

在过去的研究中温度敏感性水凝胶多数的研究工作都集中在逆向温敏体积相变水凝胶，正向温敏水凝胶的研究报道较少，然而在某些应用中正向相变行为更加实用。自由基共聚丙烯酸、丙烯酰胺制得的凝胶溶胀后再降温很难出现凝胶收缩的现象[9]，这主要是由于凝胶在高温下完全溶胀后分子链伸展，羧基、氨基之间很少有机会相遇，即使降低温度凝胶一般也不会出现消溶胀行为。然而在溶液中自由基共聚制得的凝胶在低温-高温变化时却可以出现可逆的透明-不透明相转变，由聚丙烯酸/聚丙烯酰胺、聚丙烯酸/聚乙烯醇组成的(半)互穿网络水凝胶可以出现可逆的溶胀-消溶胀的相变行为。T Okano等人[10]制备了聚丙烯酸/聚N,N-二甲基丙烯酰胺互穿网络水凝胶，随着温度的升高该凝胶同时存在着可逆的透明-不透明、溶胀-消溶胀的相变行为。杨猛等人[11]制备了聚(丙烯酸-丙烯酰胺)疏水缔合水凝胶，凝胶呈现低温不透明高温透明的可逆相变行为，研究了单体浓度、配比等因素对凝胶相变行为的影响。

逆向温度敏感水凝胶在温度低于相变温度时凝胶处于膨胀状态或透明状态，当温度高于相变温度时凝胶处于收缩状态或不透明状态，这个相变温度称之为低临界溶解温度(LCST)。凝胶的溶胀度/透光率在LCST附近随着温度的升高而突变式的减小，反之亦然。逆向温敏水凝胶的研究以聚N-异丙基丙烯酰胺(NIPAAM)的均聚物、共聚物为主，在这类凝胶中存在氢键和亲疏水的平衡。外界温度在LCST以下时，凝胶网络中高分子链上的亲水基团通过氢键与水分子结合，凝胶吸水溶胀。随着温度的上升，这种氢键作用减弱凝胶对水的束缚作用减弱，同时高分子链中疏水基团之间的相互作用加强，凝胶逐渐收缩。温度升至LCST以上时，疏水作用成为体系内主要作用力，高分子链通过疏水作用互相聚集，凝胶的溶胀度急剧下降。J P Chen等人[12]以壳聚糖为骨架制得了可注射型的聚N异丙基丙烯酰胺接枝壳聚糖凝胶，该凝胶在LCST(约30 ℃)发生可逆凝胶-溶胶相转变行为。初步研究发现该凝胶可以作为可注射型细胞载体材料来运载软骨细胞和半月板细胞。W G Liu等人[13]制备了异丙基丙烯酰胺-甲基纤维素共聚物凝胶，该凝胶对温度具有很强的敏感性且凝胶的相变温度可以由甲基纤维素的加入量来调节：甲基纤维素含量少时凝胶的LCST降低，而进一步加大甲基纤维素的含量会提高凝胶的LCST。

3 光敏感性水凝胶

在水凝胶中引入对光敏感的基团即可制成光敏感性水凝胶，包括紫外光敏感水凝胶和可见光敏感水凝胶。光敏感性凝胶一般有3类：将遇光能够分解的光敏分子添加到高分子凝胶中，在光刺激作用下凝胶体系中将产生大量离子引起凝胶内部渗透压的突变，使得凝胶发生体积相转变；将感光性化合物加入到温度敏感性水凝胶中，凝胶吸收光子之后，将光能转化为热能，使得凝胶内部局部温度升高，当温度高于凝胶的相转变温度时凝胶就会发生溶胀或收缩等体积相转变行为；另一种常见的是在高分子主链或侧链引入感光基团，感光基团吸收了一定能量的光子之后会发生异构化作用，引起分子构型的变化，同时改变了分子链间的距离及体系内亲疏水平衡导致相变发生。

A Mamada等人[14]将光敏性分子无色三苯基氰基甲烷与N-异丙基丙烯酰胺共聚制得光敏感型水凝胶。无紫外光照射时，随温度的增加凝胶体积在30 ℃处发生突跃的连续性变化；当用紫外光照射时，凝胶在温度升高到32.6 ℃处发生突跃的非连续性体积相转变，凝胶的溶胀度突然降低约10倍，随着温度的继续升高凝胶平衡溶胀度没有明显的变化。温度固定在32 ℃时该凝胶在紫外光照射下溶胀，无紫外光照射下收缩，且该溶胀-收缩过程是非连续性的。

I Tomatsu等人[15]由十二烷基修饰的聚丙烯酸[p(AA/C12)]、α-环糊精(α-CD)、4,4’-偶氮二苯甲酸(ADA)3组分共混得到凝胶-溶胶互相转化的光敏性凝胶。ADA在紫外光的照射下发生反式结构到顺式结构的转变，在可见光照射下发生顺式结构到反式结构的转变。α-CD与反式ADA易形成包结作用，而与顺式ADA没有或仅有很弱的包结作用。在紫外光下，ADA以顺式结构存在，α-CD与聚丙烯酸上修饰的十二烷基形成包结，体系成溶胶状态；在可见光下，由于与聚丙烯酸上修饰的十二烷基相比，α-CD更容易与反式结构的ADA形成包结作用，十二烷基的疏水缔合作用使体系呈现凝胶状态。由此可以通过调节紫外/可见光的变化来控制溶胶/凝胶的转变。

4 电场敏感性水凝胶

所有聚电解质水凝胶都具有电刺激响应性，此类凝胶在电场作用下可发生体积和形状的变化，其响应性与溶液中自由离子在电场作用下的定向移动有关。首先自由离子的定向移动会造成凝胶内各个部分离子浓度不均匀，产生渗透压的变化引起凝胶形变；另外自由离子定向移动会造成凝胶内不同部位pH值的不同，影响凝胶中聚电解质的电离状态，使凝胶结构发生变化从而改变凝胶的形变。

E Jabbari等人[16]研究发现聚丙烯酸水凝胶的平衡溶胀度随着电场强度的增加而增大，与没有电场相比，施加300NC-1电场后凝胶的平衡溶胀度由16增大到30。研究表明凝胶在电场中呈现非均匀溶胀：凝胶样条平行于电场放置时样条靠近电极正极端溶胀，靠近负极端收缩；凝胶样条垂直于电场放置时凝胶弯向电源正极。

王吉德[17]以反复冻融的方法制备了聚乙烯醇/马来酸钠-丙烯酸钠共聚物水凝胶，S J Kim等人制备了壳聚糖/聚甲基丙烯酸羟乙酯[18]半互穿网络水凝胶和聚乙烯醇/壳聚糖[19]互穿网络水凝胶。在这些凝胶体系中随着电解质溶液电压的增大凝胶形变随之增大，随电解质溶液浓度增大凝胶的形变增大，并且凝胶的形变随着电场的开-关呈现可逆的变化。

5 磁场敏感性水凝胶

磁场敏感性水凝胶一般都将铁磁性的纳米粒子包埋于水凝胶内部。在外加交变磁场的作用下，铁磁体材料被加热而使凝胶的局部温度上升，导致凝胶体积的变化；撤掉磁场后水凝胶冷却恢复至原来大小。另一方面，具有磁性的凝胶对于体外控制药物传输定点给药具有非常好的应用前景。

S A Meenach等人[20]制备了含有Fe3O4的聚N异丙基丙烯酰胺纳米复合凝胶在外加交变磁场的作用下凝胶的温度由21 ℃升高到39 ℃同时凝胶发生消溶胀相变行为，而不含磁性粒子的凝胶在外加交变磁场的作用下温度仅由21 ℃升高到28 ℃且凝胶仍处于溶胀状态。研究表明所制得的磁性凝胶对于动物细胞没有毒害作用可安全的用于药物传输。S A Meenach等人[21]制备的含有Fe3O4的聚乙烯醇纳米复合凝胶在外加交变磁场的作用下凝胶温度可以升高到80 ℃，研究表明可以通过调节磁场来控制凝胶温度用于治疗癌细胞。

6 盐敏性水凝胶

盐敏感性水凝胶指在外加盐的作用下，凝胶的溶胀性质发生突跃性变化。盐敏感性水凝胶主要是聚电解质类凝胶，小分子盐的加入屏蔽了凝胶分子链上带电基团导致分子链收缩/舒展。

在聚电解质凝胶中加入小分子盐屏蔽了分子链上解离的带电基团，破坏了基团间静电排斥作用使得分子链收缩；另外盐的加入改变了凝胶内外的渗透压，使得凝胶内部水分子扩散到凝胶外部，因此在这类凝胶中加入盐会导致凝胶迅速收缩，溶胀度降低[22-23]。

而对于两性电解质水凝胶而言正负带电基团同时位于分子链上，在中性时以离子键结合在一起，2种基团可发生分子内和分子间的缔合作用。盐的加入可以一定程度的屏蔽、破坏大分子链中正负基团的缔合作用，导致分子链舒展，凝胶膨胀。在一定条件下这类水凝胶的溶胀度不随外加盐浓度的增加而减小，而是随外加盐浓度的增加而增加，呈现所谓的反聚电解质行为。

7 化学物质敏感性水凝胶

化学物质敏感性水凝胶是指在某种特定化学物质(葡萄糖、抗体、特殊离子等)的作用下凝胶产生体积收缩/溶胀的不连续变化，或者发生溶胶-凝胶的转变行为。

T Ogoshi等人[24]将芘修饰的β-环糊精(Py-β-CD)与单壁碳纳米管(SWNT)在水溶液中共混，由于π-π相互作用，体系形成均一稳定的溶液。在这个体系中加入十二烷基修饰的聚丙烯酸由于十二烷基与β-环糊精的主客体作用，十二烷基修饰的聚丙烯酸起到交联剂的作用体系形成均一的凝胶，而在凝胶中加入竞争的主/客体α-环糊精或金刚烷羧酸钠，凝胶则转变成溶胶。

J J Kim等人[25]以PEG修饰的蛋白与烯丙基葡萄糖、丙烯酸丙酯磺酸钾/乙烯基吡咯烷酮/丙烯酰胺共聚物组成葡萄糖敏感的水凝胶，将该凝胶体系装载于渗透膜中来检测胰岛素-葡萄糖溶液的透过情况。当溶液中葡萄糖浓度高时水凝胶体系以溶胶状态存在，胰岛素-葡萄糖溶液快速透过；而降低葡萄糖浓度时，溶胶体系则转化为凝胶状态，胰岛素-葡萄糖溶液透过速率很低，因此该凝胶体系可以通过葡萄糖浓度的调节来控制胰岛素的释放情况。

8 多重敏感水凝胶

将2种或2种以上单一敏感性单体通过自由基共聚、互穿网络体系等方式便能制得具有多重响应的水凝胶。

N-异丙基丙烯酰胺与丙烯酸等共聚会破坏聚N异丙基丙烯酰胺原有的亲疏水平衡，当x(丙烯酸)超过1.3%时会使凝胶的温度敏感性消失。X D Xu等人[26]将马来酸酐与N异丙基丙烯酰胺反应制得与异丙基丙烯酰胺结构类似的异丙基马来酸，将其与异丙基丙烯酰胺共聚制得pH、温度敏感的凝胶。B L Guo等人[27]制备了羧甲基壳聚糖/聚N异丙基丙烯酰胺半互穿网络pH、温度敏感水凝胶。杨猛等人[28]通过外交联方法制备了丙烯酸-马来酸酐共聚物/聚乙二醇水凝胶，研究了该凝胶对pH值、离子强度的响应行为。

9 结束语

综上所述，智能水凝胶由于其亲水性、吸水能力、无毒、生物相容性及独特的智能响应性等特点受到了国内外学者的广泛关注。水凝胶作为一种新型材料广泛的应用于农林卫生、生化化学、医学医药等领域，而智能水凝胶由于其独特的响应性在传感器、药物传输、组织工程、酶的固载等方面具有广泛的应用前景。天然高分子化合物为基底的水凝胶由于其来源经济、有良好的生物相容性和生物降解性能、极小的毒性，将成为智能水凝胶的发展方向。

[ 参 考 文 献 ]

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