高强度双网络高分子水凝胶-性能-进展及展望

中国科学:技术科学2012年第42卷第8期:859~873英文版发表信息:ChenYM,DongK,LiuZQ,etal.Doublenetworkhydrogelwithhighmechanicalstrength:Performance,progressandfutureperspective.SciChinaTechSci,2012,55:22412254,doi:10.1007/s11431-012-4857-ySCIENCECHINAPRESS论文高强度双网络高分子水凝胶:性能、进展及展望陈咏梅①*,董坤①,刘振齐①,徐峰②*①西安交通大学理学院,非平衡物质结构及量子调控教育部重点实验室,西安710049;②陕西师范大学化学与材料科学学院,西安710062*E-mail:[e-mail];[e-mail]收稿日期:2011-10-31;接受日期:2012-02-15国家自然科学基金(批准号:51073127,51173144)、高等学校博士学科点专项科研基金(批准号:20100201110040)、“中央高校基本科研业务费专项资金”(批准号:109-08140018)和西安交通大学“新教师科研支持计划”(批准号:08141001)资助项目摘要作为一种虽然含有90wt%的水,但力学强度高达数十兆帕的高分子水凝胶材料,双网络(doublenetwork,DN)设计思路对大幅度提高水凝胶力学性能以及推动其在生物材料中应用研究意义重大.近年来高强度DN凝胶研究不断取得令人注目的进展,在DN凝胶概念的基础上,设计合成了天然和仿生DN凝胶、低摩擦和低磨损DN凝胶以及细胞亲和性高强度水凝胶,并研究了DN凝胶的生物相容性和诱导关节软骨再生等生物材料性能.高强度、多功能DN凝胶在生物材料中的研究极大地扩展了高分子水凝胶材料的应用范围.本文综述了DN凝胶的设计思路,分析了影响其性能的因素,并对其未来发展进行了展望.关键词高分子水凝胶双网络细胞亲和性摩擦磨损生物相容性1引言人类治疗疾病、进一步提高生活质量的美好愿望对生物材料的研究提出了更高的要求.随着生物材料研究的深入,已经开发出了多种多样的人工组织或器官,部分产品已上市并用于常规的临床治疗,但是这些产品大都由硬度高、不含水的无机或有机材料组成,例如金属、塑料以及橡胶等.虽然这些材料的力学性能具有优势,但它们的含水率、柔软性、硬度和摩擦系数等参数与人体软组织,例如血管、关节软骨和肌腱之间存在显著差距.值得提出的是人体除了牙齿和骨头以外,都是由生物软组织构成的.严格地讲上述材料并不具有替代生物软组织的优势(表1)[1~8],因此,研究与生物软组织的结构和性能类似的“软、湿”高分子水凝胶材料具有重要的科学意义和应用价值.高分子水凝胶(hydrogels)是一类具有化学或物理交联结构、可吸收大量水分但不溶于水的高分子或大分子聚集体,它们在水中可保持一定形状和三维空间网络结构并迅速溶胀[9],因此也被称为“水材料”(图1).高分子水凝胶同时兼具固体和液体双重性质:从宏观尺寸的角度来看,高分子水凝胶具有并保持一定的形状,施加一定的压力后会变形,当去除压力后它会恢复原来的形状,所以它具有固体的粘弹性;从微观尺寸角度来看,高分子水凝胶具有三维网络结构,水溶性小分子可以在三维网络中自由扩散,且扩散系数与在水溶液中接近,所以它具有液体性质.此外,由于水合作用,高分子链中的亲水性基团将水分子束缚在三维网络结构中,从而赋予了高分子水凝胶良好的保水性能,与海绵不同,即使其遭受外力而被破坏,水也难以从水凝胶网络中挤压出来.陈咏梅等:高强度双网络高分子水凝胶:性能、进展及展望860表1人体软组织与不同人工材料性能比较Softtissue/ArtificialmaterialsElasticmodulesWatercontent(wt%)FrictionalcoefficientTensilestrength(MPa)Ref.Cartilage0.45–0.80MPa70–850.00135.7[1,2]Humanforearmtendon90.12–414.99MPa23.65–78.52[3]Hydrogel1MPa700.01–0.0011[4]Siliconerubber25(shoreharness)0.504.0[5]Ultra-highmolecularweightpolyethylene29MPa0.2050[6,7]Stainlesssteel200GPa0.10[1,8]图1高分子水凝胶网络结构示意图作为一种智能材料(intelligentmaterial),高分子水凝胶在体积相转变和刺激响应等方面的研究受到广泛关注.例如,Tanaka[10]首次发现给高分子水凝胶施加低电压会使其体积缩小,当电压被切断时会恢复原来的形状,从而实现由电能到机械能的转化.这种与体积变化有关的现象能够用以制造开关、传感器和电能-机械转换器等.该研究为著名的“相转变理论”奠定了基础.Osada[11]将这种电能-机械能的转化发展为电能-化学作用-机械能之间的相互转换,以电场控制表面活性剂十二烷基吡啶与聚电解质高分子水凝胶聚(2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸)[poly(2-acrylamido-2-methyl-propanesulfonicacid),PAMPS]的相互作用,从而获得了受电场诱导运动的高分子水凝胶“人工爬虫”,其柔软的运动形态与真的爬虫极为相似,且爬行速度可达25cm/min.此外,Osada等人[12]还研究了温控“形状记忆”高分子水凝胶.近年来又有很多研究者结合高强度双网络(doublenetwork,DN)凝胶的设计策略开发出了温度敏感[13]、pH敏感[14]等高强度智能水凝胶材料.与智能水凝胶材料相比,高分子水凝胶作为生物材料的应用潜力还有待开发.由于高分子水凝胶的三维网络结构和粘弹性与生物体内由生物大分子构成的细胞外基质(extracellularmatrix)极为类似,作为生物材料的高分子水凝胶已用于细胞支架[15]、药物缓释[16]、人造器官[17]和医疗器械[18]等研究和应用.近年来,高分子水凝胶因有望成为软组织修复甚至再生的生物材料而引起了人们更多的关注[19],所以缩小高分子水凝胶与生物软组织之间的性能差距,寻求与生物软组织性能匹配的高分子水凝胶材料,昀终达到以水凝胶材料替代受损的生物体软组织的目的,是目前高分子水凝胶研究的重要问题之一.但遗憾的是,传统高分子水凝胶材料自身存在着一些难以克服的性能缺点,要将其广泛地应用于生物材料还需要解决下列问题.1)提高水凝胶的机械强度.在生理条件下,许多软组织如血管、关节软骨、半月软骨、肌腱及韧带等都处于剧烈的机械动力环境之中,例如关节软骨承受的压力约为10MPa,只有能够承受如此高机械强度的材料才能保证其功能的正常发挥.然而大多数高分子水凝胶十分脆弱,例如天然来源的胶原蛋白(collagen)水凝胶能够承受的外力仅为数千帕,而人工合成的PAMPS水凝胶能够承受的外力也只有几十千帕.提高水凝胶的力学性能有助于扩展其在高强度软组织中的研究和应用.2)赋予水凝胶细胞亲和性.细胞对生物软组织功能的发挥起到了举足轻重的作用,例如软骨细胞分泌的胶原蛋白、透明质酸(hyaluronicacid,HA)及其他聚多糖有助于增强软骨强度和摩擦润滑;血管内皮细胞分泌的糖萼(glycocalyx)具有抗凝血功能.赋予水凝胶细胞亲和性有助于研究和开发活性人工软组织材料[20,21].3)降低摩擦磨损性能.许多生物软组织都呈现凝胶态,如软骨就是一种由蛋白多糖,Ⅱ型胶原蛋白和大约70wt%水分构成的典型的水凝胶[22].正常软骨组织在关节中起到超低摩擦,分担压力和吸收冲击能量等作用[23].当正常软骨组织受损时,难以通过现有医疗手段修复[24].因此,研究开发凝胶态人工软骨生物材料具有至关重要的意义.设计合成兼具低摩擦、低磨损和高力学性能于一体的高分子水凝胶材料是其作为人工软骨替代材料研究面临的关键性挑战之一.分析高分子水凝胶结构和性能之间的关系,影响其力学性能的因素有四点.1)高分子聚合物的密中国科学:技术科学2012年第42卷第8期861度.高分子水凝胶中通常仅含有约10wt%的高分子聚合物,从而使得高分子水凝胶具有与溶液相似的流体性质,导致其力学性能较低.因此,适当增加高分子聚合物密度可在一定范围内提高水凝胶的力学性能.2)网络结构的均匀性.高分子水凝胶通过单体聚合交联或氢键、疏水作用、静电相互作用等非共价键而分别形成化学交联凝胶和物理交联凝胶.传统高分子水凝胶在制备过程中不可避免地存在网络结构的不均匀性.因此,当受到外力时,应力在网络中的分布不均匀,在应力集中区域高分子链易于断裂而形成微小裂缝,随后应力沿裂缝传播,昀终导致水凝胶损坏[25].因此,设计合成具有均匀网络结构的高分子水凝胶是提高其力学性能的有效方法之一.3)交联点的自由度.传统化学和物理高分子水凝胶中交联点固定于水凝胶网络中,在水凝胶拉伸或压缩过程中,交联点处易产生应力集中而被破坏.因此,通过在高分子水凝胶网络中设计可随应力变化而灵活移动的交联点,将应力分散于水凝胶的整体网络结构之中是提高水凝胶机械强度的有利切入点.4)高分子链的柔韧性.高分子链,尤其是中性的高分子链在水溶液中具有一定的柔韧性,可吸收外界应力.但是一旦固定于水凝胶网络之中,高分子链的柔韧性难以发挥,导致水凝胶力学性能降低[26].因此,通过降低高分子链的交联密度甚至不交联,昀大限度地发挥高分子链的柔韧性,有望提高高分子水凝胶的机械强度.综上所述,通过分子设计,加强高分子水凝胶网络结构的规整度、提高交联结构自由度及发挥高分子链的柔韧性是提高水凝胶力学性能的3种有效设计策略.实际上,上述3种设计策略也是相辅相成的,例如提高交联结构自由度在改善高分子链柔韧性的同时也解决了水凝胶网络结构不均匀问题.拓扑凝胶(topologicalhydrogel,TPgel)[27]和纳米复合凝胶(nanocomposite,NCgel)[28]就是分别通过加强高分子水凝胶网络结构的规整度、提高交联结构自由度及发挥高分子链的柔韧性而提高水凝胶力学性能的典型例子.TP凝胶的特征为在其网络结构中设计了8字形交联点(figure-of-eightcross-linker),高分子链穿梭于8字形交联点的上下2个环之中形成了均匀的网络结构.当施加外力时,高分子链犹如在滑轮上滑动一样随外力在8字形交联点中自由移动.由于具有灵活的交联点,TP凝胶受到外力时易于大幅度变形,可承受较大的拉伸应力,即使在外力作用下TP凝胶也能够保持网络结构的均匀性,从而使应力分散于整个凝胶网络中.NC凝胶的特征为在其网络中设计了双重交联结构,即固定交联(高分子链交联于粘土表面)和动态交联(高分子链与高分子链之间的缠绕)结构.双重交联结构是由于在NC凝胶形成过程中,高分子单体以纳米尺度的片状无机粘土为支架而聚合形成高分子链,同时柔软的高分子链之间互相缠绕而形成的.固定交联点为纳米无机粘土,它起到给高分子单体提供聚合位点和支撑高分子链之间互相缠绕的作用;动态交联点为互相缠绕的高分子链,在外力作用下缠绕的高分子链之间在一定范围内可以互相滑动[29].与TP凝胶类似,NC凝胶同样可以承受较大幅度的拉伸应力.双网络(doublenetwork,DN)凝胶的结构和性能不同于TP凝胶和NC凝胶[30],其结构特征为包含2种相互独立的网络结构,一种为交联密度较高的聚电解质网络结构,另一种为低交联或不交联的中性网络结构.聚电解质网络结构为DN凝胶提供了刚性的支架,保持凝胶外形,而柔性的中性聚合物填补于刚性网络中,起到吸收外界应力的作用.DN凝胶不仅保持了传统水凝胶优异的物理性能,例如粘弹性、高含水量、良好的透光性等,而且突破了传统高分子水凝胶力学性