佐治亚林志群综述《Aggregate》合成和应用多糖的水凝胶研究进展

【科研摘要】

水凝胶是3D交联的亲水性聚合物网络，在水处理，能量存储和再生医学等许多领域都引起了极大的兴趣。然而，常规的合成聚合物水凝胶具有差的生物相容性。在这种情况下，多糖（具有生物相容性和可生物降解特性的一类可再生天然材料）已被用作构建单元，通过多糖通过各种单体或离子的物理和/或化学交联，产生基于多糖的水凝胶。这些源自多糖的水凝胶由于其独特的结构和丰富的官能团而具有独特的物理化学性质和出色的机械性质。最近，美国佐治亚理工学院林志群教授团队Recent advances in polysaccharide‐based hydrogels for synthesis and applications通过利用一组生物相容性和可生物降解的多糖（即纤维素，藻酸盐，壳聚糖和环糊精[CD]）着重介绍基于多糖的水凝胶的合成和应用的最新进展。首先，这种介绍了制作基于多糖的水凝胶的设计和合成原理。其次，总结了通过各种交联策略（例如物理交联，化学交联和双网络）相互连接的基于多糖的水凝胶。特别是，引入非共价和/或动态共价相互作用后，基于多糖的水凝胶将具有无数有趣的性能（例如，刺激反应和自我恢复）。第三，讨论了基于多糖的水凝胶在自愈，感觉，超级电容器，电池，药物输送，伤口愈合，组织工程和生物成像领域的各种应用。最后，概述了促进未来设计以实现新功能和应用的基于多糖的水凝胶的观点。

【图文解析】

介绍

使用天然生物质资源材料的工程水凝胶已取得重大进展。近年来，随着柔性材料在生物学上的应用发展以及对环境的关注，利用自然资源（例如，纤维素，藻酸盐，壳聚糖和环糊精[CD]；图1）制成的生物水凝胶已被广泛地用作替代可再生材料，以缓解这种情况。日益严重的全球能源危机。这些材料可以归类为由单糖重复单元组成的多糖生物质资源。它们在为生物提供能量方面起着至关重要的作用，并且很容易在植物，动物或微生物世界中发现。与合成聚合物对应物相比，多糖具有一系列引人注目的属性，包括丰富，节省成本，生物相容性，无毒和可再生。此外，充足的羟基（-OH），羧酸（-COOH）或胺（-NH2）共价锚定在葡萄糖单元的外围，从而为官能化和后修饰提供了一个通用平台。

图1 纤维素，藻酸盐（为清楚说明起见，选择了包含G和M重复单元序列的部分化学结构），壳聚糖和CD的化学结构。

多糖基水合物的合成

物理交联的纤维素水凝胶

物理交联的基于纤维素的水凝胶已被研究使用各种类型的带有不同官能团的纳米纤维素。纤维素纳米晶体（CNC）是一类重要的具有高结晶区域的纳米纤维素，可以通过对粗纤维素进行酸水解来获得。CNC表现出一维杆状或晶须状形态，其直径范围为3至50 nm，长度为50至500 nm。据报道，CNC在水溶液中具有部分分散性，因为在硫酸水解过程中表面引入了带负电的-SO3H部分。由于静电排斥的复杂性及其具有多分散性的棒状形态，磺化的CNCs以大于12.6 vol％的浓度转变为双折射凝胶。不带电荷的CNCs可以通过用盐酸水解而获得，但它们不能分散在水溶液中。为了提高氯化萘的分散性，通常采用表面氧化法，通过使用2,2,6,6-四甲基-1-哌啶基氧基（TEMPO）来获得羧酸部分。羧基化的CNCs在低pH值下会形成凝胶，这是因为羧酸基团之间具有有吸引力的氢键，从而通过相互作用的CNC纤维形成渗滤网络（图2（A））。此外，表面酸基团可以一步一步地通过酰胺化反应转化为胺基。相反，由于胺和羟基之间的氢键作用，胺官能化的CNCs在高pH条件下显示出水凝胶的形成。由于CNC凝胶的形成高度依赖于pH条件，因此它们很容易用于制造pH响应水凝胶（图2（B））。

图2 （A）在高和低pH条件下CNC-COOH和CNC-NH2之间拟议的相互作用的示意图。（B）在pH为1，7和11时，2.7 wt％CNC-COOH和2.7 wt％CNC-NH2的水分散液的图像。

最近，将二元ZnCl2/CaCl2系统集成到纤维素水凝胶网络中以制备热可逆水凝胶（图3）。众所周知，水合ZnCl2表现出非凡的氢键赋予能力，这源于其现有形式的离子液体（[Zn（OH2）6] [ZnCl4]）。特别地，Zn2+离子与纤维素链上的羟基配位，而另外五个H2O分子则围绕Zn2+离子吸收。因此，第一水合壳的形成削弱了纤维素的固有氢键。这促进了纤维素在水溶液中的溶解过程。Ca2+离子充当胶凝剂，可与相邻的Zn-纤维素连接区形成离子交联和氢键。此外，甘油具有出色的氢键给体能力，可在30 s内引起快速胶凝。得益于非共价相互作用，纤维素水凝胶在加热-冷却循环处理后表现出可逆的溶胶-凝胶转变。另外，水凝胶显示出优异的抗冻性能（图3（E）和3（F））。最近，双膦酸酯（BP）基团通过光诱导聚合反应与纤维素衍生物结合。BP对Ca2+离子或氧化铁（Fe3O4）纳米颗粒的动态络合能力使其易于制备可注射的水凝胶。

图3 （A）纤维素在ZnCl2 / CaCl2水溶液中的溶解和（B）三种纤维素水凝胶的制备及其组分的示意图。纤维素水凝胶在不同条件下的外观，（C）热可逆性，（D）可重塑性，（E）在-10°C下良好的拉伸性。（F）纤维素水凝胶的动态力学分析（DMA）与温度的关系。

小分子或聚合物在纤维素上的共价接枝是实现表面改性的另一种重要方法。由于纤维素表面带有大量-OH基，它们可以轻松地与活性基团（例如异氰酸酯和环氧基）反应。最近，自由基聚合被用于在CNC上接枝聚（离子液体），CNC加载时通过离子相互作用和氢键键合可得到优异的基于PVA的机械水凝胶。更具体地说，通过先进的聚合技术接枝带电的单体产生具有受控功能和结构的纤维素。来宾聚合物是通过单体，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）的表面引发的原子转移自由基聚合（SI‐ATRP）制备的，产生了萘基官能化的聚合物刷（CNC‐g‐P（ DMAEMA-r-NpMA））。此后，将宿主分子葫芦[8]尿素（CB [8]）引入到CNC-g-P（DMAEMA-r-NpMA）和紫精功能化的PVA（PVA-MV）的均质混合物中，客体相互作用推动了可逆交联水凝胶的形成（图4）。

图4 （A）含有第一客体甲基紫精官能团（PVA-MV）的原理图和体系结构，以及（B）含有第二客来萘基部分的共聚物接枝物（CNC-g-P（DMAEMA-r-NpMA））的CNCs。（C）CB [8]作为宿主基序。（D）基于CB [8]的三组分识别的选择性超分子交联将改性的PVA和CNC移植物结合在一起形成动态水凝胶。

化学交联的纤维素水凝胶

动态共价键已被开发为设计自修复水凝胶的有吸引力的交联剂。纤维素可以直接用高碘酸钠氧化以在表面形成醛基，醛基具有与胺基反应的巨大潜力，在室温下可以高效地形成动态和可逆的亚胺键。此外，醛修饰的氯化萘（CHO-CNC）仍保持其刚性的棒状形态。同时，通过酰肼与羰基的缩合，可将商业CMC轻松转化为二酰肼改性的羧甲基纤维素（CMC-NHNH2）。当CHO-CNC与CMC-NHNH2混合时，在几秒钟内发生了牢固的交联胶凝。在系统中添加醛改性的右旋糖酐（dextran-CHO）的第三种成分后，便制得了具有高稳定性的可注射水凝胶。张等通过将二硫代二丙酸酯二酰肼与CMC共轭，将二硫键引入纤维素中，然后添加二苯甲醛封端的PEG（PEG-DA）以在最佳条件下诱导凝胶化来制备CMC-NHNH2（图5）。所得的水凝胶显示出均匀互连的多孔结构（图5（B））。

图5 （A）前体溶液（CEC-TPH和PEG-DA）和所得水凝胶的照片。（B）水凝胶表面的AFM图像。（C）水凝胶的胶凝机理。（D）通过酰基hydr键的可逆断裂和再生来动态水凝胶网络的示意图。

双网状纤维素水凝胶

化学交联的藻酸盐基水凝胶

例如，将PBA接枝到海藻酸钠（Alg-PBA）上以制备复合水凝胶。通过与PVA和Ca2+混合，藻酸盐上的PBA可以与PVA反应形成动态的硼酸酯-二醇酯键，同时Ca2+可以与藻酸盐螯合形成物理交联（图6）。

图6 （A）由Alg-PBA和PVA形成的可自我修复的形状记忆超分子水凝胶的示意图。（B）pH响应性和（C）超分子水凝胶的形状记忆效应。

双网络藻酸盐基水凝胶

上述化学交联基于与藻酸盐的反应，将第二个共价网络结合到水凝胶结构中被认为是通过与藻酸盐网络的离子交联结合来增强机械性能的潜在解决方案。最简单的方法是使用共价网络水溶性单体（例如，AA，AM，NIPAM和苯乙烯磺酸钠）和交联剂（例如，MBA）的自由基聚合。通过将所有组分混合在一起，然后进行光诱导聚合，来使用双网络混合水凝胶（图7）。

图7 三种类型的水凝胶的示意图。（A）在藻酸盐凝胶中，不同聚合物链上的G嵌段通过Ca2+（红色圆圈）形成离子交联。（B）在聚丙烯酰胺凝胶中，聚合物链通过MBA（绿色方块）形成共价交联。（C）在藻酸盐-聚丙烯酰胺杂化凝胶中，两种类型的聚合物网络通过PAM链上的胺基与藻酸盐链上的羧基之间的共价交联键（蓝色三角形）缠结在一起。

壳聚糖水凝胶

壳聚糖和带负电荷的表面活性剂的混合物在许多领域引起了特别的关注，因为表面活性剂的自组装行为更为复杂。表面活性剂的浓度显着影响带负电荷的表面活性剂/聚电解质混合物的形态。最近，报道了胶束修饰的壳聚糖水凝胶的机械性能。壳聚糖在低pH值下带有质子化胺，因此所得的阳离子聚电解质可以通过静电吸引作用由带负电荷的胶束（由阴离子表面活性剂十二烷基硫酸钠[SDS]形成）交联（图8）。

图8 壳聚糖水凝胶的可切换交联。中性多糖自组装形成牢固的非共价晶体网络连接，赋予弹性。阳离子多糖可以通过可修复的SDS胶束进行静电交联，从而赋予其粘弹性。

双网络壳聚糖基水凝胶

例如，由于壳聚糖和PAM网络之间存在氢键，短链壳聚糖可以改善通过AM和MBA共聚构建的PAM水凝胶的机械性能。最近，邻苯二酚官能化的甲基丙烯酰壳聚糖（Ca-MC）和甲基丙烯酰壳聚糖（MC）被用作通过光引发聚合和邻苯二酚-Fe3+螯合诱导的纤维素上乙烯基键的同时交联来制备双网络水凝胶的组分（图 9）。

图9 （A）通过同时聚合碳-碳双键和邻苯二酚-Fe3+螯合来交联两条不同的壳聚糖链的壳聚糖水凝胶形成新设计的示意图。（B）壳聚糖水凝胶的光可交联能力，注射能力，增强的组织粘附力和抗菌能力的多功能特性可帮助伤口愈合。

基于CD的水凝胶

CD是通过α-1,4-葡糖苷键连接的环状低聚糖家族。根据分别为6、7和8的α-葡萄糖单位数，它们可以分为α-CD，β-CD和γ-CD。CD由于其固有特性而具有许多令人着迷的特性。例如，线性PEG可以穿透水溶液中的α-CD的内腔，并且由于α-CD之间的分子间氢键作用，聚合物链上的α-CD部分可以形成通道型晶体结构。产生的α-CD/ PEG域变成疏水性的，并通过疏水性相互作用充当物理交联点，而未发现的PEG部分则是亲水性的并充当连接链，从而导致水凝胶的形成（图10（A））。例如，两种基于PEG的末端庞大大分子单体可以穿透γ-CD，然后它们可以与NIPAM单体共聚，形成轮烷交联（RC）的微凝胶。这些微凝胶表现出热响应和pH响应的体积转变，这是由于可变化的轮烷网络引起的热响应PNIPAM嵌段和机械交联点（图10（B））。

图10 （A）基于α-CD和PEG的超分子水凝胶形成的示意图。（B）轮烷烷交联的（RC）微凝胶，（C）环糊精基假轮烷交联剂的示意图和（D）RC凝胶的沉淀沉淀聚合改性程序。

值得注意的是，含CD的聚合物可以用作多功能交联剂，它们可以与含客体的聚合物配合形成超分子水凝胶。这种可逆的宿主-客体相互作用赋予水凝胶以自愈特性。致力于开发自愈水凝胶。例如，通过酰胺化反应将氨基CD和氨基乙酰胺Fc部分接枝到线性PAA上，从而分别形成主体聚合物（PAA CD）和客体聚合物（PAA FC）（图11）。在缓冲溶液中混合这两种聚合物（PAA-6βCD/PAA-Fc），由于β-CD和Fc之间的主体-客体相互作用以及聚合物中的多点交联作用，立即形成了水凝胶，并且它们表现出出色的自愈合特性。而PAA-6αCD不能与PAA-Fc形成凝胶，因为α-CD和Fc部分不匹配。由于Fc可被氧化成Fc+，因此生成的水凝胶在化学试剂（例如，用于氧化的NaClO和用于还原的谷胱甘肽[GSH]）或电化学反应（图11（B）和11（C））下表现出溶胶-凝胶转变。

图11 （A）主体聚合物和客体聚合物的化学结构，以及溶胶-凝胶转变的示意图。（B）使用化学试剂的溶胶-凝胶转变实验。（C）使用电化学反应的溶胶-凝胶转变实验。电化学氧化（+1.0 V，相对于Ag/AgCl）将水凝胶转化为溶胶，而还原则回收了凝胶。

参考文献：doi.org/10.1002/agt2.21

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