華中師大曹郁教授團(tuán)隊(duì) Polym. Rev. 綜述：溫敏纖維素水凝膠 - 材料設(shè)計(jì)前沿
隨著材料科學(xué)的進(jìn)步，智能材料因其獨(dú)特的性能而受到廣泛關(guān)注。一類智能材料是基于水凝膠，對諸如溫度、pH、光、磁等環(huán)境響應(yīng)，可用于生物醫(yī)藥、健康監(jiān)測和穿戴設(shè)備、柔性機(jī)器人、環(huán)境保護(hù)、農(nóng)業(yè)等方面。溫敏性水凝膠作為一類重要的智能材料，尤其在生物醫(yī)學(xué)、藥物遞送系統(tǒng)、組織工程等領(lǐng)域展現(xiàn)出了巨大的潛力。
纖維素是地球上最豐富的天然有機(jī)聚合物之一，廣泛用于造紙、紡織、食品、化工產(chǎn)品和建筑材料中。隨著對環(huán)保和可持續(xù)發(fā)展的重視度增加，探索纖維素的新用途成為科研熱點(diǎn)，特別是在醫(yī)藥領(lǐng)域：作為藥片和膠囊的賦形劑；用于藥物制劑以改善溶解性或控制釋放速率；在醫(yī)療敷藥中促進(jìn)傷口愈合。
溫敏纖維素水凝膠結(jié)合了纖維素的生物相容性和生物降解性以及溫敏性水凝膠的環(huán)境響應(yīng)能力，展現(xiàn)出廣闊的應(yīng)用前景。而單純的纖維素及其衍生物形成的溫敏水凝膠的凝膠轉(zhuǎn)變溫度高且性能不好，極大地限制了發(fā)展，基于此發(fā)展出三大類改進(jìn)策略（圖1）：一、在纖維素中加入物質(zhì)進(jìn)行共混，利用物理作用力進(jìn)行調(diào)節(jié)；二、對纖維素進(jìn)行化學(xué)改性，改變影響溶膠-凝膠轉(zhuǎn)變的基團(tuán)種類或數(shù)量；三、纖維素輔助即其他溫敏物質(zhì)成凝膠，而纖維素在此只扮演增稠劑或穩(wěn)定劑的角色。
圖1. 溫敏純纖維素水凝膠改性的三種策略
近日，來自華中師范大學(xué)化學(xué)學(xué)院的曹郁教授、博士生瞿佳穎和本科生何凱等人在高分子知名期刊Polym. Rev.上發(fā)表了綜述文章，總結(jié)了三大類溫敏纖維素水凝膠：以甲基纖維素（MC）和羥丙甲纖維素(HPMC)為代表的纖維素主鏈為溫敏部分；除纖維素主鏈的側(cè)鏈為溫敏部分，其中聚(N-異丙基丙烯酰胺)(PNIPAM)最為典型；纖維素作為增稠劑或穩(wěn)定劑，并介紹了各類凝膠的合成方法、優(yōu)缺點(diǎn)、溶膠-凝膠轉(zhuǎn)變機(jī)理及應(yīng)用（圖2）。此外，還介紹了多響應(yīng)的纖維素水凝膠，強(qiáng)調(diào)其不同的功能和在不同場景下的潛在應(yīng)用，以期達(dá)到對此類溫敏性功能材料的快速了解和掌握，并啟發(fā)更多后續(xù)的研究和應(yīng)用發(fā)展。
圖2. 三種溫敏纖維素水凝膠的相變機(jī)理示意圖
纖維素主鏈為溫敏部分
纖維素中的纖維素醚如MC與HPMC是最為典型、研究最多的物質(zhì)，它們本身形成的水凝膠即具有溫度響應(yīng)的特性，但是由于其溶膠-凝膠轉(zhuǎn)變溫度過高以及形成的水凝膠機(jī)械性能不好等限制了應(yīng)用和發(fā)展。最簡單的方法為加入無機(jī)鹽、小分子有機(jī)物、表面活性劑等進(jìn)行物理改性，利用氫鍵、靜電力、分子相互作用、主客體作用等交聯(lián)成為網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)進(jìn)而降低凝膠轉(zhuǎn)變溫度。這種方法簡單，但往往調(diào)節(jié)力度有限。如將甲基纖維素（MC）與聚乙烯醇（PVA）在磷酸鹽緩沖溶液（PBS）中共混，通過物理交聯(lián)可在37°C下發(fā)生溶膠-凝膠轉(zhuǎn)變得到MC-PVA凝膠。（圖3）
圖3. MC-PVA溫敏凝膠的溶膠-凝膠轉(zhuǎn)變機(jī)理
纖維素側(cè)鏈為溫敏部分
PNIPAM的側(cè)鏈含有親水的酰胺基和疏水的異丙基，通過親疏水平衡調(diào)節(jié)（圖4），展現(xiàn)出低臨界溶解溫度（LCST）在32°C附近的凝膠轉(zhuǎn)變特性，由于該溫度接近人體溫度，具有廣闊的應(yīng)用。但是單獨(dú)的PNIPAM凝膠脆性高、機(jī)械強(qiáng)度差、功能有限，可通過原子轉(zhuǎn)移自由基聚合（ATRP）、離子聚合、開環(huán)聚合、點(diǎn)擊反應(yīng)等方法將其接枝到纖維素及其衍生物上可完美的解決上述問題并豐富凝膠種類、提高熱響應(yīng)行為（圖5），同時也可將纖維素接枝到其他具有熱響應(yīng)性質(zhì)的物質(zhì)上。利用這種方法形成的凝膠種類多樣、可方便調(diào)節(jié)熱響應(yīng)行為和其它相關(guān)性能，但是往往步驟麻煩且需要用到有毒的交聯(lián)劑。如采用自由基聚合的方法，以過硫酸銨（APS）為引發(fā)劑，四甲基乙二胺（TEMED）為催化劑，無需任何額外的化學(xué)交聯(lián)劑。嵌入的CNCs與PNIPAM通過它們的羥基共價(jià)交聯(lián)，并通過氫鍵物理交聯(lián)促進(jìn)相鄰CNC和PNIPAM鏈的相互作用進(jìn)而促進(jìn)水凝膠的強(qiáng)化（圖6）。
圖4. PNIPAM結(jié)構(gòu)和凝膠LCST行為示意圖
圖5.三種接枝方法
圖6. CNC-PNIPAM凝膠的制備
纖維素為增稠劑或穩(wěn)定劑
纖維素僅僅作為熱響應(yīng)物質(zhì)的增稠劑或穩(wěn)定劑而存在，比如在殼聚糖/β-甘油磷酸二鈉/醋酸的凝膠體系下，可加入羥乙基纖維素作為增稠劑，可形成更加均勻和穩(wěn)定的凝膠。通過纖維素的疏水主鏈與周圍水分子的氫鍵相互作用，有效限制了系統(tǒng)內(nèi)粒子的運(yùn)動，從而達(dá)到增稠目的；通過防止熱響應(yīng)聚合物在溶膠-凝膠轉(zhuǎn)變過程中的聚集或沉淀，纖維素衍生物的存在可以在空間上阻礙聚合物鏈之間的相互作用，促進(jìn)更均勻和穩(wěn)定的凝膠網(wǎng)絡(luò)的形成。纖維素衍生物特別是MC與HPMC可促進(jìn)體系黏度的增加，增強(qiáng)凝膠的可注射和處理性能，特別適用于需要微創(chuàng)輸送的生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用中。
多響應(yīng)纖維素水凝膠
根據(jù)材料來源不同，纖維素可與生物大分子、單體溶液、部分無機(jī)物復(fù)合形成具有溫度、pH、光、電、磁等多種響應(yīng)的水凝膠。雖然這類水凝膠具有更強(qiáng)的適應(yīng)性和靈活性，可用于更復(fù)雜的場景，但是由于復(fù)雜性的增加，對其設(shè)計(jì)和合成也提出了顯著挑戰(zhàn)。如將羥丙基纖維素（HPC）與聚丙烯酸（PAA）共混，可得到溫度/pH雙響應(yīng)的水凝膠。當(dāng) pH 從1變化到4時，HPC-PAA水凝膠的低臨界轉(zhuǎn)變溫度（LCST）從10°C升高到40°C，酸度繼續(xù)減弱到pH為6、7時，凝膠轉(zhuǎn)變溫度緩慢升高至44°C，然而當(dāng)堿性增強(qiáng)到 pH = 10時，凝膠轉(zhuǎn)變溫度反而下降到43°C。（圖7）
圖7. HPC-PAA凝膠的相轉(zhuǎn)變過程
盡管目前溫敏纖維素水凝膠發(fā)展出了多種體系和在生物醫(yī)療等方面具有一些應(yīng)用，但仍面臨一些挑戰(zhàn)，比如如何精確調(diào)控其溫度響應(yīng)行為和提高材料的性能以適應(yīng)實(shí)際應(yīng)用中的需求。因此，進(jìn)一步的研究需要集中在開發(fā)新型合成方法、優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)以及深入理解其物理化學(xué)性質(zhì)等方面。
原文鏈接 https://doi.org/10.1080/15583724.2025.2458305
通訊作者簡介
曹郁：華中師范大學(xué)教授，博士生導(dǎo)師。2003年于北京理工大學(xué)獲材料學(xué)博士學(xué)位，2003年至2005年在中國科學(xué)院化學(xué)所高分子物理與化學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室從事博士后研究，曾任日本學(xué)術(shù)振興會特別研究員，目前為華中師范大學(xué)化學(xué)學(xué)院教授和學(xué)科帶頭人。主要研究領(lǐng)域包括功能高聚物、藥物傳遞系統(tǒng)及生物醫(yī)用材料、高性能纖維、納米自組裝等方面。通過分子設(shè)計(jì)合成具有生物活性或適用于不同領(lǐng)域的功能高分子，再通過材料設(shè)計(jì)、分子構(gòu)建加工/自組裝成材料，使其成為具有生物活性、生物相容性、靶向功能、緩釋/控釋功能或其它功能的新型材料或環(huán)境材料。
