中国科学家李磊《先进材料·综述》光敏水凝胶的设计与应用

在过去的十年中，水凝胶已从静态材料发展成为适应各种刺激（例如pH值，温度，化学，电或光）的“智能”材料。由于对生物材料的非接触式远程控制、固有时空控制能力，光刺激在许多应用中特别有优势。此外，光的固有特性（例如波长和强度）可以调节。紫外-近红外几乎可完全透过水，因此，水凝胶是非常优越的光响应功能材料。由于水凝胶的化学和物理多样性以及光响应能力，光响应水凝胶成为生物材料、医学、软机器人等多个领域的理想选择。德国科学家Johannes M. Scheiger，Pavel A. Levkin与中国科学家李磊合作综述了光敏水凝胶的设计与应用，并以“Design and Applications of Photoresponsive Hydrogels”发表在《Advanced Material》。作者首先介绍光敏水凝胶的响应模式和光化学机理，并重点介绍它们在动态细胞环境，智能生物界面，受控药物输送，光致驱动器和光疗材料中的应用，最后总结了对光敏水凝胶的挑战和未来展望。

1 关于光

1.1 光的优势

①光是非侵入性的，并在无额外试剂的情况下可对材料进行远程操控，因此副产物有限。

②通过调节光照参数（强度、波长和光照时间）可控制光照剂量，从而精确控制光反应的程度。

③在2D和3D中都可以实现空间控制。

④通过简单地打开或关闭各个光源就可以进行时间控制。

⑤波长选择性光化学反应可用于水凝胶特性的正交光调节。

1.2 如何选择光

①选择合适的光源对于满足各自的应用需求至关重要。通常，光源的发射光谱和光响应功能的吸收曲线应匹配，以增加量子产率和光穿透深度。

②对于作为生物材料的水凝胶，必须考虑由于辐照对生物体的潜在有害影响。

2 光敏水凝胶的介绍及机理

2.1 光敏水凝胶介绍

光与光敏水凝胶的相互作用可导致不同的响应，其中一些可以用裸眼观察到，如水凝胶的凝胶化或降解，网络收缩或膨胀，这些都会直接影响材料的性能（图 1）。根据分子机理可区分可逆和不可逆的光响应过程。光敏水凝胶的溶胀率主要取决于网络的亲水性和交联密度，两者均可通过光进行控制（图1 A）。通过光诱导的聚合物主链或交联点的裂解可以达到类似的效果（图1 B）。由于大多数裂解型反应不可逆，而环加成反应（例如光二聚化）可逆地并重复地调节网络中的交联密度（图1 B，逆向反应）。官能团对水凝胶的化学，物理和生物学特性（如润湿性，催化作用，生物粘附等）至关重要。光对光敏水凝胶网络中的官能团的表达进行最精确的时空控制（图1D-E）。这可以通过光化学加成反应引入官能团、释放光笼、光异构化过程活化官能团来实现。相反，光化学裂解反应或光加成反应使官能团功能失活。

图1，光敏水凝胶的分子结构。光敏基团（黑色）可以：1）在交联点上； 2）沿着聚合物或超分子主链，3）沿着侧链，或4）溶解在水凝胶的水性介质中。根据光响应部分的位置和类型，光响应包括收缩（A）和部分去交联（B）及完全去交联会导致水凝胶降解（即液化）（B）*。其他光敏水凝胶：C）光热激发（即温度局部升高）；D）反应位点的活化或失活；E）底物的释放或捕获。

2.2 分子机制

水凝胶的光响应性通常是由于系统中引入的官能团，正确选择光敏基团的类型和位置才能实现所需的响应。在已知的几种类型的光响应性分子中，许多已被用于合成光响应性水凝胶。最相关的介绍如下，光反应类型包括裂解，加成，交换和异构化，表1按此顺序进行介绍。最后，作者介绍了光热剂。

表1. 用于设计光响应水凝胶的不同光反应类型和官能团

2.2.1 光裂解：邻硝基苄基化合物的衍生物（Derivativesof o-nitrobenzyl compounds）是最不稳定的光不稳定基团，并已应用于水凝胶化学领域。它们可以作为光笼或光敏交联剂。它们的吸收曲线可通过修饰芳族结构进行了微调。在260 nm的光照射下，母体结构邻硝基苄基酯（o-nitrobenzyl ester）可光解成羧酸和邻硝基亚苄基乙醛。供体取代，如4,5-二甲氧基邻-硝基苄基（4,5-dimethoxy o-nitrobenzylmoieties），可将裂解所需的波长红移至约350 nm。香豆素衍生物（Coumarin derivatives）具有生物相容性，快速裂解率，红移吸收和双光子诱导反应等特点。香豆素衍生物形式可将其吸收范围转移至生物学相关范围。例如，7-二乙基氨基-4-硫代香豆基甲基衍生物（7-diethylamino-4-thiocoumarinylmethyl derivativ）的吸收位移至蓝光（470 nm）。在香豆素衍生物3位修饰富电子的苯乙烯基，可将吸收移至430-515 nm（蓝绿色）且双光子吸收截面大。其他光不稳定基团，如三苯基甲烷（triphenylmethane），对羟基苯甲酰基（p-hydroxylphenacyl），8-溴-7-羟基喹啉（8-bromo-7-hydroxylquinoline）的衍生物，还未广泛应用于水凝胶。

2.2.2 加成反应分为可逆光诱导加成反应和巯基烯“点击”化学：可逆光诱导加成反应即电环反应（例如[2 + 2]，[4 + 4]或偶极环加成）。根据伍德沃德-霍夫曼规则，通过[2 + 2]或[4+ 4]环加成的光二聚化反应，其中一个π系统处于激发态。在适当波长的光或加热处理后，两种环加成反应均可逆转。[2+ 2]环加成的例子有肉桂酸酯（cinnamates），香豆素（ coumarins），马来酰亚胺（maleimides），茋（stilbene）。[4 + 4]环加成的例子有蒽（anthracenes）。许多环加成反应可以用紫外线激活。由于C-C单键的断裂，逆反应用的光能量更高。如二苯乙烯衍生物（stilbene derivatives）在340 nm处光照时会发生[2 + 2]二聚反应，而裂解反应在254 nm处。通过改变光敏基团的分子结构，可以将相应的波长红移到可见光范围内。如反式羧基苯乙烯基苯乙烯（trans-carboxyl styrylpyrene）的二聚反应在可见光（455 nm）下进行，并可通过紫外光（340 nm）照射有效逆转。巯基烯“点击”化学（Thiol-ene “click” chemistry）在聚合物化学中得到了广泛应用，并应用于光敏水凝胶的设计。

2.2.3 光诱导交换反应：其包括二硫化物交换化学和烯丙基硫化物/硫醇交流，已应用在光敏水凝胶。硫醇或二硫化物反应机理是自由基机理，与电环加成不同。在评估副反应时，这是一个重要的考虑因素。

2.2.4 光异构化：不同波段的光导致不同异构体（例如顺式）分子的结构变化，如顺–反式或结构异构体。这些反应通常是可逆的，并且不会产生副产物。最经典的例子是偶氮苯，它在紫外光下（365 nm）通过π-π*跃迁从反式构型转变为顺式构型，并通过可见光照射（445 nm）或加热回到更稳定的反式异构体。这种光致异构化改变分子的极性和空间需求，从而影响主客体相互作用的行为。偶氮苯（Azobenzene ）与环糊精（CD）可形成主-客体复合物，其稳定性取决于顺式或反式偶氮苯。基于偶氮苯-环糊精相互作用可设计光敏水凝胶。螺吡喃（Spiropyran）在365 nm的辐射下从疏水性的闭环形式异构化为亲水性的花菁开环两性离子。如果螺旋吡喃在酸性环境中异构化，则花菁部分质子化为相应的阳离子，进而影响相应的光诱导逆反应。光敏分子的吸收波长可以通过改变取代基来调节。由于螺旋吡喃异构化后亲水性的变化会影响水凝胶的溶胀能力，因此螺吡喃环的开环或闭环能可逆地增韧或改变水凝胶的体积。由于从一种异构体变成另一种异构体伴随着颜色的变化，基于吡喃（pyrane）的水凝胶具有固有的光致变色特性，其光致变色特性可以在用在监视光化学反应或用于制造太阳镜状水凝胶隐形眼镜。

2.2.5 光热反应：光热剂通过光照产生热量，可用于热响应性聚合物的可逆相变。该机制已广泛用于光敏水凝胶。光热剂可以是无机纳米材料（贵金属（如Au，Ag和Pt ）或氧化物纳米颗粒，碳纳米材料，以及黑磷）和有机化合物（花青（cyanines），可卡因（croconaines），二酮吡咯并吡咯（diketopyrrolopyrroles），卟啉（ porphyrins），共轭聚合物（conjugated polymers））。常用热响应的材料包括聚酰胺（PNIPAAm），聚（乙二醇）（PEG），热响应性弹性蛋白样肽和热敏脂质。

3 光敏水凝胶的应用

3.1 动态t调控细胞微环境

体外细胞生物学旨在提供尽可能接近自然角色模型的细胞生长条件。光敏水凝胶可以模仿生物力学在活组织中的动态特性，且可对细胞生长条件进行远程和非接触式调控。

3.1.1 光裂解调控细胞行为：当光笼的保护基光照射裂解时，光笼释放。带光笼基团的水凝胶的活化反应位点可远程调控。Shoichet等人于2004年将香豆素-硫醇与琼脂糖水凝胶结合，双光子激活后，硫醇释放生物活性物种。Lutolf等人通过释放光笼化酶操纵原位3D细胞。从酶促肽底物中光解邻硝基苄基使酶活化，并将与生理相关的信号蛋白、细胞外基质（ECM）蛋白和生长因子能够在空间上进行酶联，以此在水凝胶内植入3D细胞（图2 A）。除了控制水凝胶释放生物分子外，还可以对3-（4,5-二甲氧基-2-硝基苯基）-2-丁酯（DMNPB）进行光裂解可有效调节体内水凝胶的细胞粘附，炎症和血管形成（图2 B）。

3.1.2 光聚合调控细胞行为：之前的方法要求设计光笼并将其结合到反应性或生物活性基团中。相反，当胶凝形成后存在残留的丙烯酸酯基团时，可继续通过二次光诱导的聚合作用共价固定丙烯酸酯部分。丙烯酸酯的光聚合快速，所需时间短，使细胞死亡最小化。该方法可将从短肽到全长蛋白质等生物活性分子粘附到水凝胶，其浓度可通过改变前体浓度和光剂量来控制。West通过单光子和双光子光刻将生物活性丙烯酸酯衍生物固定在预制的PEG水凝胶中，以此在空间微尺度上以2D和3D形式引导水凝胶中的细胞。硫醇-烯反应由于具有点击样和生物相容性，无需使用催化剂、光引发剂等，因此在生物相关应用中引起了人们的兴趣。Anseth等人开发了一种可酶降解的水凝胶平台，该平台通过硫醇-烯反应对生物分子进行光刻，从而可以在三个维度上直接观察细胞行为。他们还基于两个正交光反应的组合，即硫醇-烯的光偶合和邻硝基苄基部分的光解，开发了可逆的构图方法。

3.1.3 光异构化调控细胞行为：光异构化后水凝胶网络发生化学变化或物理变化。对于结构异构体，如螺吡喃的情况，异构化时的化学变化显着。如基于螺吡喃的光异构化的光驱动两性离子水凝胶可通过光控制人间充质干细胞（hMSC）分化。在绿光条件下，两性离子水凝胶是亲水状态，干细胞分化；近红外光状态下两性离子亲水状态转化为疏水状态，从而中止干细胞分化。该过程是连续可逆的。立体异构体（如，顺-反式偶氮苯）在异构化时化学性质改变不显着（如亲水性），但水凝胶模量发生变化。黄利用偶氮交联剂的光顺-反式异构化软化水凝胶，以蓝光调节MSC行为（图2C）。

3.1.4 光改变水凝胶交联密度来调控细胞行为：光调控交联度可用于远程控制水凝胶的物理（机械）性能。Anseth基于含有硝基苄基的PEG合成光降解水凝胶，该水凝胶的交联密度和硬度可通过紫外线、可见光或双光子精确控制，这种水凝胶可以实现细胞-基质力学相互作用的时空调节。但光软化过程不可逆。为了模拟ECM的动态特性，有必要设计可逆的光敏水凝胶。因此，同一小组基于硝基苄基和甲基丙烯酸酯基修饰的透明质酸合成可逆调控力学的水凝胶。依次通过光降解和光诱导交联反应使水凝胶软化再硬化。水凝胶软化导致细胞面积减少，水凝胶模量提高时呈相反趋势。

图2，光调控细胞行为。A）通过酶促光图案化指导细胞生长。细胞仅侵入通过光笼定释放（无活性）酶的区域（绿色矩形）。B）用紫外线在体内调节细胞粘附，炎症和血管形成。C）由于含偶氮苯的二甲基丙烯酸酯交联剂的光异构化，水凝胶软化。

3.2 控制药物释放

水凝胶的3D网络可以封装各种药物，而光诱导的凝胶到溶胶转变可以用来释放负载的药物。

3.2.1 光异构控制水凝胶药物释放：由于NIR在组织中的深层渗透和无害性，NIR敏的水凝胶具有很高治疗潜力（图 3A）。Gupta等人率先设计了基于偶氮苯改性葡聚糖的疏水缔合的光敏纳米凝胶。在紫外线（365nm）照射下，顺-反偶氮苯的光异构化导致疏水相互作用减弱，水凝胶溶胀，导致包埋的药物阿司匹林从凝胶网络的疏水腔中扩散的速度更快。Anseth以偶氮苯-环糊精主-客体相互作用释放药物，该机制能够光控药物的释放。主-客体复合物水凝胶（偶氮苯官能化的肽作为模型药物与β-环糊精官能化PEG）可在365 nm光照射下调节药物释放。超分子水凝胶是基于非共价相互作用组装成3D纤维网络，是理想的生物材料。其组成部分的细微结构变化会影响水凝胶的层次结构。Hamachi开发了以富马酰胺为光开关模块糖脂光敏超分子水凝胶。顺-反式富马酰胺的光异构化有效诱导自组装超分子纤维的组装或分解，导致水凝胶生产或降解。光诱导的凝胶-溶胶转变被用来加速释放维生素B12。而光诱导溶胶-凝胶转化可限制生物分子运动蛋白的旋转运动以及控制细菌（大肠杆菌）的运动。

图3，基于光响应水凝胶的药物释放。A）NIR激发水凝胶中药物释放使癌细胞凋亡。B）上图：含UCNPs光敏水凝胶的降解，NIR激发的药物释放。下图：NIR导致水凝胶降解。C）左：光敏蛋白水凝胶，光降解是基于四聚体CarHC的光激发分解以及AdoB 12的降解。右图：水凝胶是通过聚合两种蛋白ACA和BCB并随后与AdoB12凝胶化而合成的。

3.2.2 光裂解水凝胶释放药物：蛋白质水凝胶由于具有精确控制蛋白质序列、分子量和三级结构的能力在生物医学应用非常有吸引力，但与合成聚合物水凝胶相比，工程光响应性蛋白质水凝胶的研究才刚刚开始。Sun创造了光敏蛋白水凝胶来控制蛋白质和干细胞的释放（图3C）。在无光条件下CarHC能与腺苷钴胺（AdoB12）结合，但在绿光条件下，CarHC可以容易地离解成单体，C-Co键裂解，蛋白质构象改变。CarHC四聚体在黑暗中形成水凝胶，绿光时水凝胶发生凝胶-溶胶转变。该系统在光照射下能有效包裹并释放活细胞和蛋白质分子。Cao基于低熔点琼脂糖和聚乙二醇化黑磷（BP）纳米复合水凝胶开发了一种近红外光控制的药物释放系统。BP具有光热转化效应，可将NIR（808nm）转化为热，导致凝胶-溶胶转变，从而释放封装的阿霉素（DOX）（图3A）。肿瘤组织实验证明该系统能够准确控制药物的释放，根除皮下乳腺癌及黑色素瘤癌症。BP和琼脂糖可生物降解，这种水凝胶在治疗后可以通过尿液排出。同时，上转换材料将NIR光转换为UV光，可用于设计NIR光敏水凝胶。Zhao将上转换纳米颗粒（UCNPs）引入了含光敏交联剂的PEG水凝胶中（图3 B）。NIR（980 nm）诱导凝胶-溶胶转变，水凝胶中的生物大分子（蛋白质和酶）释放。除了控制药物释放外，光敏水凝胶还可封装或释放活细胞。Kasko等人开发了一系列基于在370 nm邻硝基苄基且具有不同光降解速率常数的水凝胶。人类间充质干细胞可被选择性释放且细胞活力不受损害。

3.3 光调节曲面

表面是材料与其环境之间的界面。当界面的形状或界面的相互作用对材料性能起决定性作用时，它们就起着重要作用，这种情况出现在涂料，膜或非均相催化剂。表面的显着特征是其物理性质，例如粗糙度，孔隙率或拓扑。光敏表面拓扑可以由水凝胶制成。Broer和同事报道了具有光吸收性CrO 2的pNIPAAm水凝胶的动态表面。在光照射下，局部温度升高导致水凝胶膨胀，系统变成凹形结构。黑暗时，pNIPAAm水凝胶均匀膨胀，表面光滑。Hayward开发了表面图案的动态变化，这可以显示或隐藏功能化区域（图4A）。pNIPAAm水凝胶中含氧化铁纳米粒子。普通条件时，凝胶在水中溶胀，增加折皱的不稳定性，功能化区域被隔离。紫外灯光照下会导致水凝胶收缩，从而导致折痕展开并显示“被隐藏”功能化区域。该过程是可逆的，并可通过局部光照调节该特征。使用光敏水凝胶，可方便地控制表面润湿性以及分子在材料界面上的扩散和运输。例如，ter Schiphorst开发了一种用聚NIPAAm-co-acrylic acid-co-spiropyran)水凝胶。无光照的情况下，螺吡喃（Sp）部分会异构化为质子化的亲水性花菁，导致从潮湿空气中吸水，水凝胶涂层膨胀。白光照射后，结构转变为疏水性异构体，纤维收缩18％。在另一项研究中，Chen等人以叔氨基与碘化物官能化螺吡喃的季铵化反应将光敏螺吡喃层（≈1.2µm）与水凝胶表面共价连接所得的水凝胶表面显示出超疏水性（图4B）。当用紫外光照射水凝胶时，表面从超疏水性转变为亲水性，极性底物扩散，证明了荧光素从水凝胶中的释放受到抑制。Liu报告了一种水凝胶，它不仅能够杀死表面上的细菌，还能够通过光将细菌从表面分离。具有季铵官能团的4,5-二甲氧基-2-硝基苄基光解会导致水凝胶表面的阳离子变为两性离子水，此时死细菌从水凝胶表面脱落（图4C）。

图4，基于光响应水凝胶的自适应表面。A）载有氧化铁纳米颗粒的PNIPAM水凝胶光照射下引起图案可逆转换。B）基于螺吡喃的光致异构化的光调节分子在水凝胶层上扩散。C）通过在水凝胶表面上的光调节电荷变化来调节蛋白质粘附。

3.4 软体驱动器

对于人类来说，我们的肌肉像驱动器一样，使我们能够如此自由地运动。驱动器的原理很简单：将输入能量转换为机械运动。从在诸如软机器人，机电一体化或阀门（微流体）之类的应用中对材料进行远程操纵的观点来看，光激发驱动器器很有吸引力。由于需要完全可逆性（例如，收缩-膨胀）来生成功能材料，制造具有快速光敏软驱动器或分子机器仍然是一个极富挑战性的研究领域。

Feringa通过手性螺旋状烯烃的光诱导异构制造分子马达（图 5 A）。紫外光（365 nm）条件下，稳定的异构体（“Stable1”）异构化转化为不稳定的异构体（“unstable1”），然后通过热（50°C）释放由螺旋取代引起的取代基而产生的应变，从而导致整个旋转循环。螺旋状烯烃在水溶液中自组装为纳米纤维，然后可以在Ca2 +溶液中以水凝胶形式沉淀，形成具有单轴纳米纤维取向（厘米级）的线。光照后，水凝胶绳以90°的屈曲角以约1.5°s-1的速率朝光弯曲。螺旋反转的半衰期为2.7 h，只需3个小时水凝胶恢复到原始状态。因为分子在50°C下的不稳定性，该过程无法循环。Takashima设计了一种基于主-客体相互作用的共价交联水凝胶。水凝胶由α-CD改性的丙烯酰胺（α-CD-modified acrylamide）、偶氮苯丙烯酰胺（azobenzeneacrylamide）和交联剂亚甲基双丙烯酰胺（methylene bisacrylamide）制备。水凝胶网络为共价交联网络。α-CD与偶氮苯的主-客体相互作用提供额外的交联点。紫外线（365 nm）照射会使偶氮苯变为顺式状态，无主-客体相互作用，水凝胶膨胀。可见光（430 nm）时，主客体相互作用，水凝胶收缩。浸入水中的凝胶在紫外线照射下增加124wt％，在可见光照射后减少104 wt％。光照水凝胶的一侧，该部分水凝胶膨胀，使整个水凝胶像远离光源方向弯曲，而可见光照射可将其恢复至原始状态。该系统可以循环至少5次，。Harada基于α-CD系统进一步提高水凝胶性能（图5 B）。他们将氨基封端的偶氮苯部分共价连接至α-CD部分，将其二聚为链型互锁分子（[c2] AzoCD2]，然后通过缩聚反应与琥珀酰亚胺基酯多聚体进行交联，形成水凝胶网络。紫外光（365 nm）导致α-CD腔中的偶氮苯部分被去除。PEG交联的偶氮苯通过一个α-CD单元互锁并与另一个单元共价连接，无法去交联（图5B）。相反，当偶氮苯部分离开它们的α-CD主体时，水凝胶收缩。可见光诱导偶氮苯异构体从顺式还原为反式，水凝胶恢复原始状态。该系统在干燥状态（干凝胶）下对光响应速度非常快（秒），而在溶胀状态（水凝胶）下对可见光和紫外线的响应时间约为3小时。最近，聚（NIPAAm‐co‐SP‐co‐AA）水凝胶驱动器在白光下以螺线形式的异构化形式存在，加热使其再异构化至两性离子开环形式，使水凝胶能够在一个特定方向上定向移动（图5 C）。

图5，光敏水凝胶驱动器。A）Stable1光诱导异构化为unstable1的反应方程，加热（50°C）将其转化为Stable1，从而完成整个分子旋转循环。B）基于偶氮苯衍生物与α-CD的链化学结构和光异构化。C）在棘齿形状的表面的聚（NIPAAm‐co‐SP‐co‐AA）水凝胶向异性运动。

3.5 可修复的软质材料

材料疲劳，环境条件，机械应力或刮擦会降低材料的使用寿命。修复材料由于其自身的自我修复能力，有望克服该问题并延长材料的保质期。对于生物来说，拥有修复机制就显得尤为重要，因为即使是很小的破坏也会导致生殖或生存机会大大减少。本小节重点介绍光诱导水凝胶自愈。光修复机制的一个好处是精确的空间和时间控制，还可按需进行修复。水凝胶中自我修复特性的化学基础通常是动态相互作用，例如主-客体相互作用或动态/可逆共价键。

3.5.1 光控主-客体相互作用

带有偶氮苯丙烯酰胺客体分子的缩合β-环糊精（β-CD）低聚物用作与丙烯酰胺共聚形成水凝胶网络的大分子交联剂。当网络结构由于物理损坏（例如刀切）而被撕裂时，由于网络主干中偶氮苯与β-CD交联剂之间主-客动态相互作用，水凝胶碎片可能重新结合。通过紫外光（365 nm）或可见光（450 nm），可以分别选择性地停止或重新打开愈合过程。紫外光下，偶氮苯为顺式结构，与β-CD的相互作用差，愈合过程受抑制。可见光使分子回到反式异构体，该异构体容易与β-CD形成主-客体复合物。可通过紫外光（365 nm）控制游离客体分子、PEG链上的偶氮苯与PEG链上的β-CD相互竞争形成复合物。PEG链上的偶氮苯作为客体时，产生水凝胶；游离偶氮苯作为客体分子时，水凝胶分解。因此，该水凝胶可以借助紫外线重塑。基于相同的原理，Harada制备了主体-聚合物-客体-聚合物复合水凝胶。紫外光使水凝胶去交联，从而导致液化，可见光下逆转。使用交联剂N，N'-亚甲基双（丙烯酰胺）（MBA）制成的CD和偶氮苯凝胶，可实现光控制的水凝胶碎片的附着和分离（图 6 A）。

3.5.2 光激发的共价键交换

构建自修复水凝胶的另一种方法是引入动态共价键，如二硫键或三硫代碳酸酯。通过RAFT聚合反应合成两性离子嵌段共聚物PFMA-b -PDMAPMZ，用1,3-丙烷磺酸内酯进行后官能化。然后，通过交联剂DTME（二硫代双马来酰亚胺基乙烷）中的马来酰亚胺和聚合物主链中PFMA的糠基的反应使聚合物链交联。由于壳层的离子相互作用，PFMA核心两性离子壳层胶束形成了物理水凝胶。在真空干燥的水凝胶中的刻痕在暴露于紫外线时会愈合。这归因于聚合物片段之间的离子相互作用与紫外线激发的二硫键易位反应（DSMR）的协同结合。2011年，Matyjaszewski组首次报道了三硫代碳酸盐用于光诱导水凝胶愈合。在最近的一个例子中，Dong等人证明了使用三硫代碳酸酯形成的水凝胶能够在紫外灯（365 nm）下愈合切口。

3.5.3 光诱导的超分子拆卸和重组

Pianowski使用含偶氮苯的环状二肽（PAP-DKP-Lys）作为低分子量胶凝剂（LMWG）形成光响应性超分子水凝胶（图6B）。在紫外灯（365 nm）下，超分子水凝胶变成溶液，因为PAP-DKP-Lys中的偶氮苯单元为顺式异构体，π-π堆积被破坏，该堆积可使PAP-DKP-Lys自组装并凝胶化。蓝光（460 nm）时偶氮苯单元为反式结构，可实现有效的π-π堆积，超分子自组装，水凝胶形成。水凝胶的机械性能可以恢复100个以上的循环。该胶凝可用于治疗外部损伤。

3.5.4 光交联

还有一种方法是基于紫外光激发的香豆素之间的[2 + 2]环加成反应的水凝胶（图6 C）。水凝胶网络是由丙烯酰胺，7-（2-甲基丙烯酰氧基-乙氧基）-4-甲基香豆素和聚（酰氨基胺）交联剂合成的。香豆素光二聚化为环丁烷衍生物，紫外灯（365nm）照射可修复受损的水凝胶。水凝胶在光照60分钟时可恢约89％的原始拉伸强度。使用另一种紫外灯（254 nm）可以将修复的水凝胶恢复到原始状态，因为环丁烷光解回到最初的香豆素。此过程通过调节紫外灯波长（254 nm 与365 nm）可循环。

图6，水凝胶的光诱导愈合。A）偶氮官能化水凝胶与α-CD官能化水凝胶的混合物根据偶氮苯部分的光控顺-反式状态相互连接或分离。B）基于低分子量胶凝剂中偶氮苯单元的顺-反式状态光诱导凝胶-溶胶转化。顺师结构时，超分子不组装，导致液化。C）通过聚合物侧链中香豆碱官能团的[2 + 2]环加成反应，使受损的聚丙烯酰胺水凝胶发生光交联。

4 结论与展望

在过去的几年中，由于光响应水凝胶具有独特的动态物理和化学特性，类似于生命系统中的软物质，因此人们对光响应水凝胶的开发越来越感兴趣。它们在化学组成和机械行为方面的多样性与对光的响应能力相结合，具有便宜，无物理接触和时空可控的多种优势，使光敏水凝胶成为广泛领域中应用的理想之选。光敏水凝胶已被证明是用于软致动器，修复材料，适应性表面，动态细胞微环境和药物释放的支架。尽管已经在不同领域致力于光响应水凝胶的设计和研究，但是目前的大多数系统仅限于概念验证研究。为了扩展其实际应用，需要解决几个关键问题。主要的问题之一是发展能被低能量光（长波长）响应的光化学反应，并以快速的动力学和高量子效率激发反应。这也适用于光热反应，具有高能效的NIR响应水凝胶尚未开发，即使这些系统可实现深层组织穿透和精确控制。在走向实际应用的过程中，重要的是设计水凝胶特性，包括化学成分，物理特性，3D结构，和孔隙率，这些都会影响光响应能力。另外，需要更多的努力来研究响应动力学，以在光刺激下获得快速，可靠和可逆的响应。对于大多数应用，具有可逆光响应的水凝胶是至关重要的，而许多光解反应无法满足该要求。光异构化反应，光诱导的动态共价化学，电环反应以及波长正交化学可有助于改善该问题。使用合适的可逆系统，甚至可以实现非平衡系统，从而允许其他中间状态，而不仅仅是光激发的“开”或“关”状态。迄今为止，大多数工程设计的光敏水凝胶将单个响应连接到特定波长区域。开发多波长响应的水凝胶对于在同一系统中实现多功能响应性或多种正交选择性光控至关重要。另一个挑战是生物相容性。需要系统的评估光照、反应性中间体和光产物对细胞或细菌的生存能力，而且还需评估对体内外蛋白质、基因传递或代谢活性的影响。对于光热响应水凝胶，还需要解决由于过热而对周围细胞产生的毒性。从化学家的角度来看，还有几种光响应机制尚未应用于光敏水凝胶，如用于金属配位的光开关配体或更奇特的官能团（例如二硒化物或二硫代氨基甲酸酯）。光敏水凝胶将继续推动不同领域的应用，并进一步拓宽我们对动力系统的理解。尽管有许多挑战需要解决，但光响应水凝胶的潜力却是光明的。

参考文献：doi.org/10.1002/adma.201807333

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