作為典型的柔性材料，凝膠材料因具有良好的粘彈性，透明性，生物相容性以及與人體軟組織類似的結(jié)構(gòu)和性能而在細(xì)胞治療，生物傳感器，組織工程等生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域以及柔性電子和柔性機(jī)器等工程技術(shù)領(lǐng)域具有重要科學(xué)意義和廣闊的應(yīng)用前景。由于其特殊的使用要求，需對其力學(xué)性能、生物相容性、功能化等進(jìn)行設(shè)計(jì)調(diào)控，以滿足在不同領(lǐng)域中的需求。

    西安交通大學(xué)陳詠梅課題組近年來逐步建立了一系列成熟的多功能凝膠材料合成及結(jié)構(gòu)性能調(diào)控的方法，并且圍繞自愈合性能、磁學(xué)性能、發(fā)光性能、導(dǎo)電性能，高機(jī)械性能等，開發(fā)了一系列多功能凝膠材料（圖1），展示了其在三維細(xì)胞包埋、磁性導(dǎo)管、柔性透明可拉伸導(dǎo)線和柔性器件等方面的優(yōu)異性能，為生物醫(yī)學(xué)研究和柔性器件的發(fā)展提供了新手段和新技術(shù)。

    圖1 陳詠梅教授課題組研發(fā)的多功能水凝膠材料

    1. 可在生理環(huán)境下自愈合的多糖水凝膠

    作為一種新型智能材料，自愈合凝膠在解決軟材料損傷修復(fù)問題，實(shí)現(xiàn)柔性材料智能化和高效化方面具有重要意義。陳詠梅課題組研制了基于天然多糖的可在生理?xiàng)l件下自愈合，并且具有良好細(xì)胞相容性的新型自愈合水凝膠材料。這些具有優(yōu)異性能的水凝膠材料有望作為細(xì)胞或藥物載體應(yīng)用于生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域。合成了基于動態(tài)共價化學(xué)的多糖基自愈合水凝膠，該水凝膠中含有酰腙鍵和亞胺鍵兩種動態(tài)共價化學(xué)鍵，是通過己二酰肼（adipic acid dihydrazide，ADH）交聯(lián)氧化海藻酸鈉（oxidizedsodium alginate， OSA）生成可逆酰腙鍵，同時通過氧化海藻酸鈉交聯(lián)水溶性殼聚糖（N-carboxyethylchitosan，CEC）得到可逆亞胺鍵來形成基于兩種動態(tài)共價化學(xué)鍵的多糖基自愈合水凝膠材料，稱為CEC-l-OSA-l-ADH 水凝膠（“l” 表示 “交聯(lián)”），該水凝膠在生理?xiàng)l件下具有較高的自愈合效率，值得一提的是該水凝膠還有可注射性和降解性能。上述優(yōu)勢賦予該水凝膠三維包埋和釋放活體細(xì)胞的功能（Adv.Funct.Mater.2015, 25（9）：1352-1359封底論文）（圖2a）。

    圖2. 多糖基自愈合水凝膠。（a）CEC-l-OSA-l-ADH在生理環(huán)境下自愈合照片；自愈合力學(xué)性能測試；外界環(huán)境對自愈合性能的影響。（b）SECM檢測葡聚糖自愈合水凝膠的自愈合過程和效率。

    此外，還提出了一種基于可逆迪爾斯-阿爾德（DA）反應(yīng)的天然多糖自愈合水凝膠的合成制備方法。以修飾有富烯基團(tuán)的葡聚糖（fulvene-modified dextran，Dex-FE）為雙烯體，二氯馬來酸修飾的聚乙二醇（PEG-dichloromaleic anhydride，PEG-DiCMA）為親雙烯體制備了自愈合水凝膠材料，研制出了可在生理?xiàng)l件下自愈合，并且具有良好細(xì)胞相容性的葡聚糖自愈合水凝膠。Dex-FE與PEG-DiCMA在37°C下，pH7.0的磷酸鹽緩沖溶液（PBS）中發(fā)生可逆DA反應(yīng)交聯(lián)制備得到葡聚糖自愈合Dex-l-PEG水凝膠。首次采用掃描電化學(xué)顯微鏡（SECM）對水凝膠自愈合過程進(jìn)行了三維實(shí)時監(jiān)測（Macromol.Rapid Comm. 2013, 34 （18）： 1464-1470）（圖2b）。并受邀在化學(xué)領(lǐng)域權(quán)威綜述刊物Chem.Soc. Rev. （2014, 43 （23）： 8114-8131）上發(fā)表了自愈合凝膠材料的設(shè)計(jì)合成及其在生物醫(yī)學(xué)和工程技術(shù)領(lǐng)域的綜述，展望了未來發(fā)展方向。

    2. 高強(qiáng)度水凝膠材料

    傳統(tǒng)高分子水凝膠材料因力學(xué)性能低而難以實(shí)現(xiàn)其實(shí)際應(yīng)用。高強(qiáng)度水凝膠材料的設(shè)計(jì)對大幅度提高水凝膠力學(xué)性能以及推動功能水凝膠材料在生物材料和柔性器件中的應(yīng)用研究意義重大。陳詠梅課題組與哈佛大學(xué)鎖志剛教授合作，通過簡便的兩步法可制備得到具有高度可拉伸性能的高強(qiáng)度海藻酸鈉（alginate）/聚丙烯酰胺（PAAm）復(fù)合水凝膠，并在此設(shè)計(jì)思路上制備了具有抗撕裂功能的高強(qiáng)度磁性水凝膠材料。不同二價離子（Ca2+,Sr2+, Ba2+）和三價離子（Al3+,Fe3+）對海藻酸鈉的交聯(lián)顯著影響水凝膠的力學(xué)性能。拉伸測試表明三價陽離子交聯(lián)的水凝膠的斷裂應(yīng)力高達(dá)~900kPa，能量耗散高達(dá)~2000kJ×m?3。此外，該水凝膠薄片可以吹成一個大氣球，60秒時其面積變化為760％，進(jìn)一步證實(shí)了其優(yōu)異的力學(xué)性能（圖 3）（ACS Appl. Mater.Interfaces.2013，5（21）：10418-10422）。

    圖3 兩步法制備不同離子交聯(lián)的alginate/PAAm復(fù)合水凝膠流程圖（a），以及水凝膠吹氣球過程照片（b）（比例尺： 4 mm）。

    3.抗撕裂性能的高強(qiáng)度磁性水凝膠材料

    針對目前大部分磁性水凝膠的機(jī)械性能差，不能滿足荷載承力柔性器件需求的現(xiàn)狀，陳詠梅課題組首次設(shè)計(jì)制備了具有抗撕裂性能的高強(qiáng)度磁性水凝膠材料。在高強(qiáng)度海藻酸鹽/聚丙烯酰胺水凝膠中適量均勻摻雜經(jīng)海藻酸鈉修飾的磁性Fe3O4納米粒子，發(fā)現(xiàn)水凝膠不但具有良好的磁響應(yīng)性能，而且具有良好的力學(xué)性能和抗撕裂性能，壓縮強(qiáng)度可高達(dá)~5MPa，拉伸強(qiáng)度可高達(dá)~1MPa，且拉伸長度可達(dá)~10倍，打結(jié)、彎曲該磁性水凝膠也能保持其良好的狀態(tài)（圖4），斷裂能高達(dá)~1600-3000 J m-2。即使帶有預(yù)切口的水凝膠材料，拉伸長度也可達(dá)8.8倍（圖5）。并進(jìn)一步展示了高強(qiáng)度磁性水凝膠作為懸臂梁彎曲致動器和磁性微創(chuàng)醫(yī)療導(dǎo)管材料的初步應(yīng)用。該研究結(jié)果為在賦予水凝膠磁響應(yīng)性的同時保證其高力學(xué)性能，拓展磁性水凝膠材料的應(yīng)用領(lǐng)域奠定了基礎(chǔ)。

    圖4 （a）高強(qiáng)度海藻酸鹽/聚丙烯酰胺水凝膠結(jié)構(gòu)示意圖，以及（b）  水凝膠拉伸、壓縮、打結(jié)照片， （c）水凝膠在磁場驅(qū)動下的響應(yīng)性。比例尺： 1 cm.

    圖5 （a）高強(qiáng)度磁性水凝膠拉伸照片；（b） 帶有中間預(yù)切口的高強(qiáng)度磁性水凝膠拉伸照片；（c） 帶有多個預(yù)切口的高強(qiáng)度磁性水凝膠拉伸照片； （d） 磁性水凝膠斷裂能。

    4.高強(qiáng)度溫敏水凝膠材料

    針對目前大部分溫度敏感型水凝膠的機(jī)械性能差，響應(yīng)速率慢，不能滿足荷載承力柔性器件需求的現(xiàn)狀，陳詠梅課題組首次設(shè)計(jì)制備了具有高力學(xué)性能、快速響應(yīng)且相轉(zhuǎn)變溫度可調(diào)節(jié)的溫敏水凝膠材料。該水凝膠由海藻酸鋁/聚N-異丙基丙烯酰胺構(gòu)建互穿網(wǎng)絡(luò)，其中離子交聯(lián)的海藻酸鋁作為犧牲鍵在凝膠網(wǎng)絡(luò)體系中耗散能量以避免應(yīng)力集中，低交聯(lián)的聚N-異丙基丙烯酰胺網(wǎng)絡(luò)賦予凝膠網(wǎng)絡(luò)良好的彈性，兩層網(wǎng)絡(luò)協(xié)同作用增強(qiáng)水凝膠力學(xué)性能。制備所得水凝膠壓縮強(qiáng)度高達(dá)~6MPa，拉伸強(qiáng)度最高達(dá)~350kPa，且拉伸倍率可達(dá)~10倍。與此同時，水凝膠體系中存在大量的鹽離子能夠降低聚N-異丙基丙烯酰胺的相轉(zhuǎn)變溫度，調(diào)節(jié)鹽離子的濃度可實(shí)現(xiàn)該水凝膠相轉(zhuǎn)變溫度的可控調(diào)節(jié)性。隨鹽離子濃度由0.1mol/L逐漸增大至0.7mol/L，水凝膠相轉(zhuǎn)變溫度由32°C降低至22.5°C。因此，在此基礎(chǔ)上構(gòu)建了一種低溫快速響應(yīng)的水凝膠驅(qū)動器，該驅(qū)動器在30°C水環(huán)境中40s內(nèi)迅速達(dá)到~140°的彎曲角度，由驅(qū)動器構(gòu)建的柔性機(jī)器抓手可在水中快速抓取物體（圖6）。該研究結(jié)果為高強(qiáng)度溫敏水凝膠材料的設(shè)計(jì)及其在柔性機(jī)械方面的應(yīng)用提供了很好的借鑒作用及理論基礎(chǔ)。

    圖6 海藻酸鋁/聚N-異丙基丙烯酰胺水凝膠驅(qū)動器在不同環(huán)境溫度中彎曲角度隨時間的關(guān)系（a）及在水中抓取物體過程照片（b）。

    5.發(fā)光水凝膠

    光致發(fā)光凝膠材料已經(jīng)成為應(yīng)用于生物成像、藥物輸送、傳感器、光開關(guān)等許多領(lǐng)域的新型柔性材料。陳詠梅課題組將銥金屬配合物以及鑭系元素引入水凝膠中，制備了具有優(yōu)良發(fā)光性能和細(xì)胞相容性的發(fā)光水凝膠材料。首先提出了一種通過簡便的擴(kuò)散法制備得到基于陽離子型銥金屬配合物[Ir（ppy）2（dmbpy）]Cl和帶負(fù)電荷的水凝膠的新型發(fā)光水凝膠的制備方法。帶負(fù)電荷的水凝膠與帶正電荷的  [Ir（ppy）2（dmbpy）]Cl之間強(qiáng)的靜電相互作用促進(jìn)了磷光分子在水凝膠網(wǎng)絡(luò)中的擴(kuò)散，并形成了穩(wěn)定的復(fù)合材料，即使在水中浸泡9個月水凝膠也具有良好的發(fā)光性能（圖7）（Macromol. Rapid Commun. 2012, 33, 1191-1196，封面論文）。

    圖 7 （a），（b），（c）[Ir（ppy）2（dmbpy）]Cl粉末的紅外光譜， （d） Eq–IrIII–PNaAMPS水凝膠浸泡9個月前后的磷光照片，（e） PNaAMPS水凝膠和 [Ir（ppy）2（dmbpy）]Cl分子之間相互靜電作用的示意圖（紅點(diǎn)：交聯(lián)點(diǎn)， 黃點(diǎn)： [Ir（ppy）2（dmbpy）]Cl

    然而，傳統(tǒng)發(fā)光水凝膠因機(jī)械性能較低而嚴(yán)重限制了其應(yīng)用范圍。針對該問題，陳詠梅課題組設(shè)計(jì)了高力學(xué)性能的發(fā)光水凝膠，鑭系元素-海藻酸鈉/聚丙烯酰胺復(fù)合水凝膠材料。其中鑭系元素作為發(fā)光元素和物理交聯(lián)劑引入復(fù)合水凝膠中。該水凝膠具有多功能的優(yōu)點(diǎn)，包括良好的發(fā)光性能，顏色可以通過采用不同的鑭系元素而調(diào)節(jié)，并可以根據(jù)實(shí)際應(yīng)用需要制備成不同的形狀，可承受較大力學(xué)變形，良好的加工性能和細(xì)胞相容性，兆帕級抗壓強(qiáng)度、約20倍拉伸變形及高能量耗散（~9000 kJ m?3）（圖8）（Macromol. Rapid Commun. 2015, 36, 465?471）。上述制備復(fù)合發(fā)光水凝膠的方法具備以下優(yōu)勢：（1）制備過程相對簡便；（2）水凝膠和發(fā)光材料組合具有多樣性；（3）發(fā)光材料的分子結(jié)構(gòu)和性能在水凝膠網(wǎng)絡(luò)中得到保存，使發(fā)光材料的發(fā)光性能實(shí)現(xiàn)最大化。新型光致發(fā)光水凝膠有望拓寬水凝膠的使用范圍。

    圖 8 （a） 高強(qiáng)度發(fā)光水凝膠制備過程；（b） 高強(qiáng)度發(fā)光水凝膠SEM照片；（c） 高強(qiáng)度發(fā)光水凝膠打結(jié)、拉伸變形照片。

    6.水凝膠調(diào)控磁性納米粒子晶體生長

    針對水熱法、高溫分解法等方法雖可制備形貌可控的Fe3O4納米粒子，但因使用有毒試劑和有機(jī)溶劑易對環(huán)境造成很大污染，且需要高溫高壓等苛刻反應(yīng)條件，不利于產(chǎn)物大規(guī)模制備以及在生物醫(yī)學(xué)環(huán)境等領(lǐng)域中的應(yīng)用等問題。陳詠梅課題組借鑒趨磁細(xì)菌利用其磁小體囊泡內(nèi)帶負(fù)電荷的蛋白質(zhì)作為吸附富集鐵離子的位點(diǎn)，并將磁小體囊泡做為微反應(yīng)器，在其體內(nèi)原位合成出形貌高度可控的磁性納米粒子，以水凝膠三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)作為模擬趨磁細(xì)菌中合成Fe3O4納米晶體的微環(huán)境，首次實(shí)現(xiàn)了通過簡單溫和的共沉淀反應(yīng)在水凝膠體系中原位制備得到負(fù)載一系列規(guī)則形貌的Fe3O4納米粒子的磁性水凝膠，并發(fā)現(xiàn)了水凝膠內(nèi)部微環(huán)境調(diào)控Fe3O4納米粒子晶體生長的機(jī)理（Green Chem.2014, 16:1255-1261；ChemPhysChem.2016, DOI: 10.1002/cphc.201600117）。該制備過程采用無毒性的試劑以及廉價的Fe2+與Fe3+作為前驅(qū)體，操作簡單，避免了引入表面活性劑等影響生物材料細(xì)胞相容性的成分。SEM圖像中可以清楚地觀察到水凝膠內(nèi)原位生成的Fe3O4納米粒子可具有規(guī)則的八面體，納米棒及納米針等形貌，高分辨TEM圖像可清楚的觀察到單個典型的Fe3O4納米粒子的幾何結(jié)構(gòu)，分別為表面暴露{111}晶面的Fe3O4納米八面體以及沿著[211]晶向生長的Fe3O4納米棒及納米針（圖9）。此外，負(fù)載于水凝膠中的Fe3O4納米粒子仍然具有良好的擬過氧化物酶活性，不僅可用于檢測微量的過氧化氫，而且可作為新型高效污水處理材料實(shí)現(xiàn)陽離子型染料的快速降解處理。

    圖9 原位制備負(fù)載一系列規(guī)則形貌Fe3O4納米粒子的磁性水凝膠流程圖，水凝膠網(wǎng)絡(luò)中Fe3O4納米粒子的SEM圖像和單個Fe3O4納米粒子的高分辨TEM圖像。

    7.細(xì)胞培養(yǎng)支架

    高分子水凝膠是一種透明或半透明的軟、濕生物材料，因其含水量高（~90%），具有與生物體軟組織相似的模量（~kPa），內(nèi)部的三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)有利于營養(yǎng)物質(zhì)及代謝廢物的擴(kuò)散，具有與細(xì)胞外基質(zhì)相似的結(jié)構(gòu)和性能，是一種良好的細(xì)胞培養(yǎng)支架材料。細(xì)胞在體外擴(kuò)增、培養(yǎng)過程中所需支架材料作為組織工程中極其重要的一個組成部分，不僅關(guān)系到經(jīng)擴(kuò)增得到的細(xì)胞數(shù)目是否能滿足需求，而且還顯著影響細(xì)胞功能，因此，如何選擇合適的材料作為培養(yǎng)支架進(jìn)行體外細(xì)胞培養(yǎng)擴(kuò)增是亟需解決的問題。為了解決人體視網(wǎng)膜色素上皮細(xì)胞（retinal pigment epithelium, RPE）在體外培養(yǎng)時易于老化的問題，陳詠梅課題組開展了在高分子水凝膠支架表面培養(yǎng)RPE細(xì)胞的工作，并研究了水凝膠性能對RPE細(xì)胞氧化應(yīng)激性能的影響。發(fā)現(xiàn)帶負(fù)電荷的水凝膠可以促進(jìn)ARPE-19細(xì)胞擴(kuò)增，并通過對細(xì)胞核和細(xì)胞骨架蛋白（F-actin）的染色表明細(xì)胞擴(kuò)增生長為密集的細(xì)胞單層膜。通過測定不同彈性模量的水凝膠表面培養(yǎng)的ARPE-19細(xì)胞膜的活性氧簇（reactive oxygen species, ROS）發(fā)現(xiàn)，水凝膠的彈性模量顯著影響細(xì)胞的ROS。當(dāng)水凝膠的彈性模量分別為5.0kPa和24.0kPa時，比在組織培養(yǎng)板表面培養(yǎng)的細(xì)胞的ROS分別低44％和50％，然而當(dāng)水凝膠的彈性模量為169.3kPa時，與在組織培養(yǎng)板表面培養(yǎng)的細(xì)胞的ROS沒有顯著性差異（圖10）。可以推測低模量的水凝膠為ARPE-19細(xì)胞提供了更類似于其在體內(nèi)的生長微環(huán)境，有助于細(xì)胞增強(qiáng)其固有的抗氧化防御功能（J. Biomed.Mater. Res. A 2014,102A: 2258-2267）。

    圖10 不同楊氏模量的水凝膠表面的RPE 細(xì)胞培養(yǎng)120h 后的形態(tài)。（a）、（b）、（c）：由DAPI 染色的細(xì)胞核。（d）、（e）、（f）：由羅丹明鬼筆環(huán)肽染色的F-actin。（g）、（h）、（i）：將細(xì)胞核及F-actin 染色疊加之后的結(jié)果。（j）、（k）、（l）：水凝膠表面培養(yǎng)細(xì)胞的縱剖面圖。（標(biāo)尺：100μm）

    與二維培養(yǎng)體系相比，三維包埋細(xì)胞培養(yǎng)體系可以更好的模擬體內(nèi)的微環(huán)境，利于實(shí)現(xiàn)細(xì)胞與細(xì)胞之間、細(xì)胞與基質(zhì)之間的相互作用，從而使培養(yǎng)的細(xì)胞具有與體內(nèi)相似的環(huán)境，因此在生物醫(yī)藥領(lǐng)域得到了廣泛使用。原位成型水凝膠可以在形成水凝膠的過程中直接包埋細(xì)胞，從而實(shí)現(xiàn)細(xì)胞的均勻包埋，并且可以按照需求制備出各種復(fù)雜的形狀，這些特性使得它廣泛應(yīng)用于三維細(xì)胞包埋。然而，目前常規(guī)使用的原位成膠方法中，經(jīng)常使用會產(chǎn)生細(xì)胞毒性的試劑（引發(fā)劑）及方法（紫外光，加熱），限制了它們在三維包埋中的應(yīng)用。巰基-邁克爾加成反應(yīng)是一種具有高選擇性、高反應(yīng)效率的點(diǎn)擊化學(xué)反應(yīng)，并且可以在生理?xiàng)l件下進(jìn)行反應(yīng)，這些特點(diǎn)使得其在制備三維水凝膠支架材料方面很有競爭力。陳詠梅課題組在生理?xiàng)l件下采用巰基-邁克爾加成反應(yīng)，利用甲基丙烯酸縮水甘油酯修飾的葡聚糖（Dex-GMA）與二硫蘇糖醇（DTT）在生理環(huán)境下交聯(lián)制備得到了葡聚糖基水凝膠Dex-l-DTT。該凝膠的形成過程、力學(xué)強(qiáng)度、溶脹率及凝膠的微觀網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)均可以通過改變pH（7.0-7.8）而調(diào)節(jié)。使用該水凝膠體系，成功的實(shí)現(xiàn)了纖維細(xì)胞（NIH-3T3）及小鼠骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞（BMSCs）的三維包埋，并且包埋的細(xì)胞均保持了較高的活性，證明了水凝膠良好的細(xì)胞相容性。堿性磷酸酶染色（ALP）活性檢測表明了包埋的干細(xì)胞不僅保持了較高的活性，而且還具有分化能力（圖11）。易于調(diào)節(jié)的凝膠性質(zhì)及良好的細(xì)胞相容性證明了Dex-l-DTT水凝膠作為細(xì)胞三維培養(yǎng)支架材料的應(yīng)用潛力（Colloids Surf.B Biointerfaces, 2015, 128: 140-148）。基于上述研究基礎(chǔ)我們提出：作為組織工程用細(xì)胞培養(yǎng)支架材料，僅僅能促進(jìn)細(xì)胞的生長還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠，只有在其中培養(yǎng)的細(xì)胞具備與體內(nèi)細(xì)胞同樣功能的材料，才在組織工程中具有應(yīng)用價值的學(xué)術(shù)觀點(diǎn)。

    圖11 巰基-邁克爾加成反應(yīng)制備Dex-l-DTT 水凝膠的過程示意圖和照片，細(xì)胞包埋過程示意圖以及包埋的BMSCs 分別培養(yǎng)在成骨培養(yǎng)液（OS）與普通培養(yǎng)液（Control）1, 3, 5, 7, 9 ,14 d 后的ALP 表達(dá)量。

    8.水凝膠導(dǎo)線

    在新型功能凝膠材料的設(shè)計(jì)制備方面，具有高拉伸性能柔性離子導(dǎo)電材料因可為任意彎曲，拉伸，壓縮，扭曲的柔性電子（flexible electronics）器件在變形為復(fù)雜的、非平面形狀的同時，保持良好的使用性能，可靠性和集成性提供關(guān)鍵技術(shù)儲備而得到了廣泛關(guān)注。陳詠梅課題組與哈佛大學(xué)鎖志剛教授合作，成功制備了同時具有良好導(dǎo)電性能、高拉伸性能、透明度高、并且電阻不隨應(yīng)變而顯著變化的柔性離子導(dǎo)體（含有鹽的水凝膠和離子液體凝膠）及柔性器件。制備了具有良好拉伸性能、低彈性模量、良好導(dǎo)電性、高透明度、穩(wěn)定性于一體的導(dǎo)電水凝膠和離子液體凝膠材料。采用導(dǎo)電水凝膠研制了柔性透明可拉伸導(dǎo)線，可代替耳機(jī)線播放音樂，即使拉伸十倍以上也可正常播放音樂（ExtremeMechanics Letters 2015,3: 59–65）

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