吳慧，李文焰，趙夢(mèng)嬋，盧生昌，黃六蓮，陳禮輝

（福建農(nóng)林大學(xué)材料工程學(xué)院，福州 350108）

纖維素是自然界豐富的天然有機(jī)高分子資源，具有價(jià)廉易得、環(huán)境友好和力學(xué)性能良好等優(yōu)點(diǎn)，開發(fā)和利用的空間非常廣闊［1］。纖維素上含有大量的羥基，經(jīng)過一系列的化學(xué)或物理改性［2-7］，可賦予纖維素特殊性能，制取功能性高分子材料。而自愈合凝膠在受到外力破壞后，可以恢復(fù)其結(jié)構(gòu)和功能，延長其使用壽命，拓展傳統(tǒng)凝膠的應(yīng)用領(lǐng)域，使其在柔性電子器件、生物醫(yī)療、組織工程等領(lǐng)域具有潛在的應(yīng)用價(jià)值。

目前，能夠在溫度［8］、電場(chǎng)［9］、磁場(chǎng)［10］和光［11］等外部刺激下作出響應(yīng)的智能性凝膠研究已經(jīng)取得了重大進(jìn)展，在傳感器［12-13］、組織工程［14］、藥物/細(xì)胞傳遞系統(tǒng)［15-16］、軟機(jī)器［17］等領(lǐng)域具有重要的應(yīng)用價(jià)值。由于傳統(tǒng)凝膠在宏觀或微觀尺度上的損壞會(huì)限制其使用壽命，制約其適用范圍。因此，通過物理作用或者化學(xué)作用構(gòu)建具備自修復(fù)性能的凝膠，使之在一定的條件下修復(fù)自身損傷，保持功能完好的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，延長其使用壽命，具有很重要的意義。

圖1 纖維素基凝膠自愈合機(jī)理Fig.1 Self?healing mechanism of cellulose?based gels

材料實(shí)現(xiàn)自愈合一般需要兩個(gè)條件［18-19］：第一，部分分子鏈在受損處或者附近可以運(yùn)動(dòng)；第二，分子鏈在受損處及附近實(shí)現(xiàn)各種作用方式的重組。聚合物鏈中的官能團(tuán)可通過物理作用或化學(xué)鍵解離和重組的方式實(shí)現(xiàn)凝膠網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)平衡，在受損區(qū)域可重新構(gòu)建新的物理或者化學(xué)連接啟動(dòng)自我修復(fù)過程。圖1 列舉了采用不同自愈合機(jī)理設(shè)計(jì)的基于纖維素的自愈合凝膠。物理自愈合凝膠通過動(dòng)態(tài)重建網(wǎng)絡(luò)在聚合物鏈之間形成非共價(jià)相互作用，包括氫鍵作用［20-27］、疏水作用［28-30］、主客體相互作用［31-34］、金屬配位作用［35-40］和靜電相互作用［41-43］等。化學(xué)自愈合凝膠重建網(wǎng)絡(luò)通過聚合物鏈之間形成動(dòng)態(tài)共價(jià)鍵，包括硼酸酯鍵［44-47］、雙硫鍵［48］、酰腙鍵［49］、烯胺鍵［50-52］和Diels?Alder［53］反應(yīng)等。以下通過不同自愈合機(jī)理，介紹基于纖維素及其衍生物制備的自愈合凝膠。

1 通過物理作用自愈合的纖維素凝膠

1.1 氫 鍵

聚合物分子鏈上和分子鏈之間的羥基，可為凝膠網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)提供大量的氫鍵［20-24］。受損區(qū)域的重新接觸可以使斷裂面上重新構(gòu)建氫鍵，從而實(shí)現(xiàn)自我修復(fù)，延長材料的使用壽命。雖然分子之間的氫鍵不是最強(qiáng)的非共價(jià)相互作用，但由于它們的方向性和親和力，可以通過提高氫鍵的數(shù)量使自愈合材料的力學(xué)強(qiáng)度顯著增強(qiáng)。

Zheng 等［20］將羧甲基纖維素鈉用水調(diào)制成糊狀，用檸檬酸溶液酸化后制備出自愈合水凝膠。水凝膠在8 mol/L 的檸檬酸濃度下浸泡的自修復(fù)效果最好，當(dāng)水凝膠切成兩半重新接觸，未交聯(lián)的羧甲基纖維素與氫離子構(gòu)建新的氫鍵，恢復(fù)凝膠的受損區(qū)域。自愈合效率最高可達(dá)81%，壓縮強(qiáng)度可達(dá)2.3 MPa。

Wang 等［21］將丙烯酸單體和亞甲基雙丙烯酰胺單體加入到季銨化纖維素與聚乙烯醇混合溶液中，紫外引發(fā)聚合得到雙重網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)水凝膠。該水凝膠在切開后室溫下接觸16 h 裂縫完全消失，并可以彎曲。含有1.5%季銨化纖維素水凝膠的抗菌率為92.2%，在其周邊0.34 cm 處不會(huì)長出霉菌，具有顯著的抗菌活性。該體系構(gòu)建的雙重網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)能提高凝膠的力學(xué)強(qiáng)度，通過氫鍵和金屬配位鍵雙重自愈合機(jī)理，在拉伸的過程中兩者可分散拉伸時(shí)損耗的能量，提高材料的力學(xué)性能。材料的拉伸率可達(dá)465%，拉伸應(yīng)力可達(dá)到1.3 MPa。

1.2 疏水相互作用

疏水相互作用在自愈合水凝膠的制備中發(fā)揮著重要作用。聚合物鏈中的疏水基團(tuán)在疏水相互作用下聚集締結(jié)，形成瞬時(shí)的動(dòng)態(tài)交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)，其自愈合機(jī)制是網(wǎng)絡(luò)中疏水締合的可逆解離和結(jié)合［28-30］。

Yang 等［28］將親水性丙烯酰胺單體和十二烷基苯磺酸鈉加入到納米纖維素/多壁碳納米管的懸浮液中，再加入疏水性甲基丙烯酸十八酯單體，采用原位聚合法制備了聚丙烯酰胺/納米纖維素/多壁碳納米管水凝膠。由于納米纖維素纖維與多壁碳納米管之間的疏水相互作用以及靜電排斥等作用，纖維素納米纖維作為綠色的分散劑使多壁碳納米管在水凝膠中分散均勻，并且增強(qiáng)了水凝膠的力學(xué)性能。所制備的水凝膠具有導(dǎo)電性、電磁屏蔽功能和自愈合性能。自愈后的水凝膠可彎曲1 000次也不會(huì)斷裂，水凝膠在7 d 左右能夠完全自愈合，愈合效率達(dá)到77.2%。

1.3 主?客體相互作用

常用的主體分子有冠醚、杯芳烴、環(huán)糊精、葫蘆脲等及其衍生物，客體分子一般是小分子單元鏈段?？腕w被包裹或者被貫穿在主體內(nèi)部，由此構(gòu)建主體與客體的相互作用。通過主體和客體分子間的相互作用力交聯(lián)形成的水凝膠，通常在光、熱、氧化?還原等刺激下具有可逆的響應(yīng)性［31-34］。

McKee 等［31］將帶有客體萘基單元的甲基丙烯酸酯接枝到納米纖維素和聚乙烯醇鏈段上，分別嵌入主體葫蘆脲內(nèi)部，以主客體相互作用制備出結(jié)構(gòu)穩(wěn)定、可快速自愈合的水凝膠。這種水凝膠即使在數(shù)月之后仍然具有快速自愈合的能力，其中納米纖維素提高了水凝膠力學(xué)強(qiáng)度和結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。

由于環(huán)糊精疏水內(nèi)腔具有容納客體分子的疏水結(jié)合位點(diǎn)，環(huán)糊精被廣泛用于制備主體?客體凝膠。Himmelein 等［33］首先用金剛烷對(duì)羥乙基纖維素酯化改性得到疏水側(cè)基的聚合物充當(dāng)客體，兩親性β?環(huán)糊精為主體制備超分子水凝膠，該水凝膠通過主?客體的作用實(shí)現(xiàn)自愈合性能，有顯著的剪切稀化性能，有望于運(yùn)用在藥物傳遞等領(lǐng)域。

Fan 等［34］利用兩親性物質(zhì)N，N?二甲基?1?金剛烷胺（DM?AD）作為交聯(lián)劑，羧甲基纖維素（CMC）和β?環(huán)糊精（β?CDP）作為骨架，制備了pH響應(yīng)性自修復(fù)水凝膠。DM?AD 的一端是金剛烷，通過主客體相互作用被β?環(huán)糊精包裹，另一端的氮原子與質(zhì)子結(jié)合形成季銨化合物與羧基形成靜電相互作用。該水凝膠在酸性條件下能降解，可應(yīng)用在藥物傳遞領(lǐng)域。

1.4 金屬配位作用

利用多價(jià)金屬離子與配體之間的螯合，通過金屬?配位作用可以實(shí)現(xiàn)凝膠的自愈合。

Shao 等［35］用一步法制備了完全物理交聯(lián)的納米纖維素復(fù)合水凝膠，通過鐵離子與TEMPO 氧化纖維素納米纖維（CNFs）和聚丙烯酸上的羧酸根離子的雙重金屬配位鍵和聚丙烯酸和CNFs 分子鏈之間的氫鍵實(shí)現(xiàn)自愈合。鐵離子Fe3＋和CNFs 充當(dāng)交聯(lián)劑提高力學(xué)性能（圖2），凝膠顯示出優(yōu)異的斷裂強(qiáng)度（1.37 MPa）和斷裂伸長率（1 803%），在1 h 內(nèi)可以達(dá)到95.7%的回復(fù)率，自修復(fù)效率達(dá)到94.2%。此外，Shao 等［36］利用靜電作用使單寧酸覆蓋在納米纖維素表面上，在TA＠CNC 溶液中自由基原位聚合聚丙烯酸，再引入鋁離子形成多種配位鍵，構(gòu)建了具備動(dòng)態(tài)交聯(lián)結(jié)構(gòu)和優(yōu)異自愈合性能的基于納米纖維素增強(qiáng)的凝膠材料。該凝膠可直接黏附到人體皮膚上，作為穿戴電子傳感器以檢測(cè)手腕擺動(dòng)等大形變以及脈搏跳動(dòng)等微弱的生理信號(hào)。

Chen 等［37］將1，1′?羰基二咪唑與無水檸檬酸反應(yīng)后加入糊狀羧甲基纖維素，與AlCl3溶液制得自修復(fù)水凝膠。由于水凝膠中加入了熒光物質(zhì)，在紫外光的照射下可以顯示各種顏色，依靠Al3＋和COO-的配位作用提高了力學(xué)性能和自修復(fù)能力，可運(yùn)用在胃黏膜穿孔修復(fù)和密封膠上。Hussain等［38］將鐵離子Fe3＋加入羥乙基纖維素和聚丙烯酸形成的物理交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)中，鐵離子在其網(wǎng)絡(luò)中充當(dāng)交聯(lián)劑，通過金屬?配體作用有效分散能量，提高自愈合凝膠的力學(xué)性能。

圖2 基于金屬配位鍵自愈合凝膠［35］Fig.2 Self?healing gels with metal?ligand coordination

1.5 靜電作用

通過聚合物鏈上或者溶劑體系中兩種相反電荷離子的相互作用，材料可實(shí)現(xiàn)快速自愈合［41-43］。Merindol 等［41］選擇帶有羧基基團(tuán)的陰離子納米原纖化纖維與聚乙烯胺陽離子聚合物，通過層層自組裝方法制備了透明的具有人造木材結(jié)構(gòu)的薄膜。該薄膜在不同的pH 條件下具備可調(diào)控的力學(xué)性能，并且濕度可促進(jìn)膜中聚合物鏈的流動(dòng)，使膜實(shí)現(xiàn)自修復(fù)。Khamrai 等［42］用陰離子聚丙烯酸接枝改性細(xì)菌纖維素使其帶有陰離子，再將其與帶有陽離子的殼聚糖溶液超聲攪拌干燥后得到柔韌、可生物降解的自愈合聚電解質(zhì)膜。該體系在水條件下，可以加速劃痕的愈合，可將其運(yùn)用在傷口創(chuàng)傷恢復(fù)、藥物傳遞釋放等領(lǐng)域。

2 通過化學(xué)作用自愈合的凝膠

在溫度、pH、光和溶劑等條件下，動(dòng)態(tài)共價(jià)鍵在斷裂面上可自發(fā)重新鍵合，從而修復(fù)材料的損傷。與物理自愈合作用相比，動(dòng)態(tài)共價(jià)鍵可提供較強(qiáng)的分子相互作用，使凝膠具備更好的穩(wěn)定性。

2.1 硼酸酯鍵

硼酸酯鍵在水溶液中可逆，且在不同的酸堿條件下有不同的結(jié)合形式，因此具有pH 響應(yīng)性。Lu等［44］利用可逆的動(dòng)態(tài)硼酸酯鍵，將球磨得到的微晶纖維素與硼砂混合后，加入聚乙烯醇溶液制備了pH 響應(yīng)性的自修復(fù)水凝膠（圖3）。含有3.0%微晶纖維素的水凝膠可以拉伸30 倍，而不含微晶纖維素的水凝膠則容易斷裂，表明微晶纖維素可以提高水凝膠的力學(xué)性能。該水凝膠切開后重新接觸，在10 min 之內(nèi)可以愈合。

Spoljaric 等［45］以納米纖維素?聚乙烯醇?硼砂體系制備了具有穩(wěn)定力學(xué)性能的自修復(fù)水凝膠。首先將5%質(zhì)量分?jǐn)?shù)聚乙烯醇和硼砂溶液，同時(shí)加入50%質(zhì)量分?jǐn)?shù)納米纖維素懸浮液中攪拌10 min，硼離子與納米纖維素上的羥基作用形成硼酸鹽復(fù)合物，納米纖維素與聚乙烯醇之間的氫鍵和分子間纏繞作用使該水凝膠具備自修復(fù)的功能。Liu等［46］在納米纖維素?聚乙烯醇?硼砂體系中加入聚苯胺和MnFe2O4，使該自愈合水凝膠具備導(dǎo)電和磁性性能，拓寬了該類水凝膠的應(yīng)用領(lǐng)域。Bian等［47］通過一鍋反應(yīng)法在聚乙烯醇、羧基化纖維素納米纖維和硼砂體系中，緩慢加入一定量的木質(zhì)素納米粒子，形成可實(shí)現(xiàn)自我形狀恢復(fù)的三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，提高了凝膠的損耗模量和彈性模量，有望應(yīng)用于壓敏傳感器中。

圖3 基于硼酸酯鍵自愈合的微晶纖維素?聚乙烯醇?硼砂凝膠［44］Fig.3 Self?healing microfibrillated cellulose?PVA?borax hydrogels based on boronate complexation

2.2 雙硫鍵

雙硫鍵［54-56］是基于硫醇/二硫化物動(dòng)態(tài)交換反應(yīng)的動(dòng)態(tài)共價(jià)鍵，對(duì)酸、堿、紫外光等多種因素都具有敏感性。Li 等［48］以納米纖維素為原料，采用聚加成法，與二硫化秋蘭姆二醇聚合制備出光敏性纖維素基自愈合凝膠（圖4）。該凝膠在可見光下照射2 min 內(nèi)可以實(shí)現(xiàn)快速自愈合，裂縫可以完全消失。其自愈合機(jī)理為：含CNC 凝膠中的二硫代氨基甲酸酯鍵在可見光下能夠進(jìn)行均裂，產(chǎn)生二硫代氨基甲酰自由基中間體；當(dāng)斷裂面接觸后，二硫代氨基甲酰自由基通過交換和轉(zhuǎn)移反應(yīng)在重新接觸的表面上斷裂重組，重構(gòu)共價(jià)S—S 鍵，實(shí)現(xiàn)斷裂面的愈合。其自愈合效率可以達(dá)到97%，拉伸率達(dá)到4 260%，可將其應(yīng)用于傳感器、微電子等領(lǐng)域。

圖4 基于雙硫鍵構(gòu)建的自愈合納米纖維素復(fù)合凝膠［48］Fig.4 Cellulose nanocrystals gels based on disulfide interchange

2.3 酰腙鍵

酰腙鍵由酰肼與醛或酮進(jìn)行縮合反應(yīng)而生成，已用于制備具有不同功能的動(dòng)態(tài)共價(jià)鍵聚合物。酰腙類化合物具有較強(qiáng)的生物活性，其與過渡元素和稀土元素形成的金屬配合物具有良好的抗菌和抗腫瘤活性以及發(fā)光和催化活性，在金屬基藥物和材料科學(xué)領(lǐng)域具有潛在的價(jià)值。Yang 等［49］將二硫代二丙酰肼接枝改性羧乙基纖維素，在4?氨基?DL?苯丙氨酸的催化下，與二苯甲醛封端的聚乙二醇反應(yīng)形成自愈合凝膠。由于酰腙鍵對(duì)pH 比較敏感，雙硫鍵對(duì)氧化還原劑比較敏感，所制備的凝膠不僅具備較好的自愈合能力，還對(duì)pH 和氧化還原劑具有雙重響應(yīng)性。該水凝膠成功應(yīng)用于控制阿霉素的釋放，在藥物遞送和3D 細(xì)胞培養(yǎng)等組織工程領(lǐng)域有廣泛的應(yīng)用前景。

2.4 烯胺鍵

烯胺是一類碳原子與氮原子以雙鍵相連的不飽和胺類化合物，廣泛用于生物醫(yī)藥等領(lǐng)域。烯胺鍵通常由胺與不飽和碳氧鍵或碳碳鍵縮合形成。烯胺鍵在酸性條件下極不穩(wěn)定，室溫下即可水解開環(huán)，堿性條件下可逆性環(huán)合。通過乙酰乙酸纖維素上的羰基和殼聚糖上的氨基之間形成動(dòng)態(tài)共價(jià)烯胺鍵，Liu 等［50］制備了pH 響應(yīng)性的自修復(fù)水凝膠，交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)中動(dòng)態(tài)烯胺鍵賦予多糖水凝膠具有較好的自愈能力。

Huang 等［51］制備了基于席夫堿動(dòng)態(tài)共價(jià)鍵構(gòu)建的自愈合水凝膠（圖5），通過高碘酸鈉氧化納米纖維素得到帶有二醛基的納米纖維素晶體（DAC?NC），將其與帶有氨基的羧甲基殼聚糖反應(yīng)得到可注射的自愈合水凝膠。DACNC 充當(dāng)增強(qiáng)填料改善了水凝膠強(qiáng)度，也限制了柔性羧甲基殼聚糖鏈的運(yùn)動(dòng)，賦予水凝膠高吸脹率及其完整網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。細(xì)胞毒性和細(xì)胞培養(yǎng)試驗(yàn)顯示出水凝膠具有良好的生物相容性。該水凝膠可以吸收大量傷口滲出物，而且當(dāng)傷口愈合后噴灑氨基酸溶液可使水凝膠自然脫落，不會(huì)對(duì)愈合傷口造成二次破壞并阻礙疤痕的形成。該水凝膠可應(yīng)用于深度燒傷傷口處理，減輕更換傷口敷料所引起的疼痛，加快傷口愈合。

2.5 Diels?Alder 反應(yīng)

圖5 基于席夫堿自愈合的纖維素基水凝膠［51］Fig.5 Self?healing hydrogel based on enamine bonds

Diels?Alder 反應(yīng)稱為狄爾斯?阿爾德反應(yīng)，又名雙烯加成，由共軛雙烯與親雙烯體反應(yīng)生成取代環(huán)己烯。Diels?Alder 反應(yīng)作為“點(diǎn)擊化學(xué)”反應(yīng)之一，因其具有高選擇性并且沒有副反應(yīng)和副產(chǎn)物，在各種功能性凝膠的制備中具有重要作用［57］。

Shao 等［53］報(bào)道了一種通過Diels?Alder 點(diǎn)擊反應(yīng)的堅(jiān)韌、高彈性、快速自修復(fù)的互穿網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)水凝膠。以改性的納米纖維素晶體端的呋喃基和聚乙二醇兩端的馬來酰亞胺形成熱可逆共價(jià)鍵，通過Diels?Alder 點(diǎn)擊反應(yīng)使水凝膠具備自修復(fù)的功能。納米纖維素在凝膠中充當(dāng)增強(qiáng)劑和化學(xué)交聯(lián)劑，提高了水凝膠的力學(xué)性能。

3 展 望

筆者通過不同的自愈合機(jī)理，綜述了利用氫鍵、疏水相互作用、主?客體相互作用、金屬配位作用、靜電作用等物理作用和硼酸酯鍵、烯胺鍵、雙硫鍵、酰腙鍵等化學(xué)鍵構(gòu)建凝膠的研究進(jìn)展，總結(jié)了基于纖維素制備的自愈合凝膠的結(jié)構(gòu)特性以及其在柔性電子、生物組織工程等方面的應(yīng)用。

纖維素基凝膠可利用其自愈合機(jī)理進(jìn)行制備。采用物理或者化學(xué)的方法，精準(zhǔn)設(shè)計(jì)分子的結(jié)構(gòu)，在纖維素基凝膠中引入功能性基團(tuán)或物質(zhì)使分子鏈在受損處進(jìn)行重組，從而實(shí)現(xiàn)凝膠的自愈合性能。近年來發(fā)光型凝膠［37］、導(dǎo)電型凝膠［39］以及多重響應(yīng)性［46，49］等自愈合凝膠被相繼研制開發(fā)出來，這些創(chuàng)新性的研究成果展示了纖維素凝膠多種新穎優(yōu)異的功能。這也使凝膠在材料選擇和性能上呈現(xiàn)多樣性，在生物醫(yī)療、柔性傳感器等領(lǐng)域具有更廣泛的應(yīng)用。然而纖維素基自愈合凝膠仍存在愈合速度慢、制備過程復(fù)雜、力學(xué)強(qiáng)度弱、功能性單一等問題尚未解決，這些仍需進(jìn)一步探索研究。

為了增強(qiáng)纖維素基凝膠的功能，使其更好地應(yīng)用于工業(yè)、生物醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域，未來對(duì)纖維素基凝膠的研究還可以從以下方面進(jìn)行考慮：

1）對(duì)高自愈合性能凝膠和力學(xué)強(qiáng)度的研究，比如通過精妙構(gòu)建凝膠的多重網(wǎng)絡(luò)，提高纖維素及其衍生物的反應(yīng)度，引入可實(shí)現(xiàn)多重作用的各種官能團(tuán)，結(jié)合多重自愈合機(jī)理等，提高自愈合水凝膠的性能；

2）對(duì)纖維素基凝膠多功能化的研究，比如導(dǎo)電性、抗菌性、熒光性能等，賦予其多種功能，增加自愈合水凝膠的應(yīng)用領(lǐng)域。