超分子水凝胶材料研究进展

Ｐｒｏｇｒｅｓｓｉｎｓｕｐｒａｍｏｌｅｃｕｌａｒｈｙｄｒｏｇｅｌｍａｔｅｒｉａｌｓ
ＬＩＸｕａｎ，ＪＩＡＮＧＹａｏ，ＸＩＥＱｉａｎｑｉｕ，ＧＡＯＹｉｃｈｕｎ，ＮＡＮＢｏｘｉｎ， ＴＡＮＧＹｕｙｉｎｇ，ＣＨＥＮＳｈｅｎｇｍｉｎｇ
（ＣｈｏｎｇｑｉｎｇＫｅｙＬａｂｏｒａｔｏｒｙｏｆＣａｔａｌｙｓｉｓａｎｄＮｅｗＥｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔａｌＭａｔｅｒｉａｌｓ，ＣｏｌｌｅｇｅｏｆＥｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔａｎｄＲｅｓｏｕｒｃｅｓ， ＣｈｏｎｇｑｉｎｇＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙａｎｄＢｕｓｉｎｅｓｓＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｃｈｏｎｇｑｉｎｇ４０００６７，Ｃｈｉｎａ）
收稿日期：２０１８０８１５ 修改稿日期：２０１８１０２５ 基金项目：国家自然科学基金（２１５０２０１２）；重庆市科委基金（ｃｓｔｃ２０１７ｊｃｙｊＡＸ０４０４）；国家级大学生创新创业训练计划项目
（２０１８１１７９９００４）；重庆市大学生创新创业训练计划项目（２０１７１１７９９０２０）；重庆工商大学学生科技创新基金资 助项目（１８３００８）；重庆工商大学研究生创新项目（ｙｊｓｃｘｘ２０１８０６０３４） 作者简介：李旋（１９９５－），男，四川眉山人，在读硕士，师从贺有周副教授，主要从事有机超分子功能材料和环境化学的研 究。电话：１８８７５０２００５７，Ｅ－ｍａｉｌ：１１８４９５１４２０＠ｑｑ．ｃｏｍ 通讯联系人：贺有周，副教授。
超分子水凝胶材料主要是指通过小分子间的非 共价作用而结合在一起的生物材料。超分子水凝胶 材料通过分子的自组装形成具有有序结构的超分 子，并被 越 来 越 多 的 应 用 在 生 物 医 学 中［１］。 例 如， Ｈａｍａｃｈｉ和同事以 超 分 子 水 凝 胶 为 平 台，结 合 不 同 的人工受体，开发了一类半湿式传感器芯片，它能够 识别阳离子、糖类、阴离子荧光染料、磷酸盐衍生物、 多胺和多元醇［２］。Ｓｔｕｐｐ等使用 ｐＨ值控制的自组 装肽（ＰＡ）开发了一组具有良好生物学应用的超分 子纤维 ｓｃａｆ折叠，如指导羟基磷灰石在体外模仿生 物 矿 化［３］或 诱 导 祖 细 胞 快 速 分 化 为 神 经 元［４］。 ２００４年首次报 道 了 关 于 整 合 酶 促 反 应 和 自 组 装 的 新进展，建立了超分子水凝胶材料在生物医学中的 应用，如 癌 症 治 疗、感 染 性 疾 病 和 药 物 输 送 等 应 用［５］。此外，除 了 对 自 组 装 药 物 分 子 的 研 究 外，抵 抗内源性蛋白质和新型生物功能材料 Ｄ肽的发展
第 ４８卷第 ５期 ２０１９年 ５月
应 用 化 ห้องสมุดไป่ตู้ ＡｐｐｌｉｅｄＣｈｅｍｉｃａｌＩｎｄｕｓｔｒｙ
Ｖｏｌ．４８Ｎｏ．５ Ｍａｙ２０１９
超分子水凝胶材料研究进展
李旋，蒋瑶，谢千秋，高旖纯，南柏鑫，唐钰莹，陈盛明
（重庆工商大学 环境与资源学院 催化与环境新材料重庆市重点实验室，重庆 ４０００６７）
摘 要：综述讨论了超分子水凝胶材料与常规聚合物水凝胶的比较、超分子水凝胶的优点以及超分子水凝胶材料 构建模块等方面内容。超分子水凝胶比常规聚合物水凝胶具有更加优良的性质，具有响应性、可逆性、可调性等优 点，同时氨基酸是构建超分子水凝胶最流行的模块。最后对超分子水凝胶的未来进行了展望。 关键词：超分子；水凝胶；进展 中图分类号：ＴＱ３１７；ＴＢ３８１ 文献标识码：Ａ 文章编号：１６７１－３２０６（２０１９）０５－１１４０－０６
第 ５期
李旋等：超分子水凝胶材料研究进展
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中的应用。相比之下，ＩＩ型聚合物水凝胶易受外部 刺激的影响，这种动态瞬变的性质使聚合物水凝胶 能够自我修复［９］，因此，ＩＩ型聚合物水凝胶在生物学 研究中具有更广泛的应用。自 １９５５年捷克化学家 ＤｒａｈｏｓｌａｖＬｉｍ和 ＯｔｔｏＷｉｃｈｔｅｒｌｅ开发出第一种可用 于生物医学应用的聚合物水凝胶以来，多聚水凝胶 已经用于多 种 生 物 学 领 域，如 超 吸 收 材 料 ［１０］、药 物 储存和生 物 医 学 递 送［１１］、重 构 人 造 细 胞 外 基 质［１２］ 的支架、隐形 眼 镜 工 程 ［１３］等 领 域，这 些 聚 合 物 水 凝 胶的应用范围仍在扩大。而超分子水凝胶是水凝胶 在水中自组装形成的超分子“链”，纳米纤维或其他 纳米级组装体作为水凝胶的三维网络来固定水。因 此得到的水凝胶被命名为超分子水凝胶或分子水凝 胶。在非共价 键 的 相 互 作 用 下，超 分 子 “链 ”，纳 米 纤维或其他纳米粒子自组装形成小分子是瞬态的和 可逆的。与聚合物水凝胶中的交联不同，超分子水 凝胶的纳米纤维之间的交联是非共价的。因此，超 分子水凝胶通常是热可逆的或容易受刺激的。由于 超分子水凝胶相比于聚合物水凝胶具有更加优良的 性质，因此超分子水凝胶成为了生物功能材料中举 足轻重的一部分。 １．２ 超分子水凝胶的优点
也取得了丰硕的成果［６］。
１ 超分子水凝胶作为生物功能材料
１．１ 多聚水凝胶和超分子水凝胶 在对超分子生物功能材料［７］的探索中，最为突
出的一类功能材料就是超分子水凝胶。将超分子水 凝胶与常规聚合物水凝胶进行比较，常规聚合物水 凝胶是由大分子形成的，具有 ３Ｄ弹性网络的常规 聚合物水凝胶能够通过表面张力和毛细作用力保持 或固定住大量的水。根据交联性质，聚合物水凝胶 可以进一步分类为 Ｉ型和 ＩＩ型［８］。Ｉ型聚合物水凝 胶是通过共价键连接组成的聚合物，通常是永久的 和不可逆的，但是仍然可以具有一定的动态自由度。 由于共价键交联，这种类型的水凝胶不能自我修复， 并且 Ｉ型水凝胶通常对外界刺激不敏感，这些缺点 在很大程度上限制了 Ｉ型聚合物水凝胶在生物医学
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅｐａｐｅｒｒｅｖｉｅｗｅｄｔｈｅｃｏｍｐａｒｉｓｏｎｏｆｓｕｐｒａｍｏｌｅｃｕｌａｒｈｙｄｒｏｇｅｌｍａｔｅｒｉａｌｓｗｉｔｈｃｏｎｖｅｎｔｉｏｎａｌｐｏｌ ｙｍｅｒｈｙｄｒｏｇｅｌｓ，ｔｈｅａｄｖａｎｔａｇｅｓｏｆｓｕｐｒａｍｏｌｅｃｕｌａｒｈｙｄｒｏｇｅｌｓ，ａｎｄｔｈｅｂｕｉｌｄｉｎｇｂｌｏｃｋｓｏｆｓｕｐｒａｍｏｌｅｃｕｌａｒｈｙ ｄｒｏｇｅｌｍａｔｅｒｉａｌｓ．Ｓｕｐｒａｍｏｌｅｃｕｌａｒｈｙｄｒｏｇｅｌｓｈａｖｅｍｏｒｅｅｘｃｅｌｌｅｎｔｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓｔｈａｎｃｏｎｖｅｎｔｉｏｎａｌｐｏｌｙｍｅｒｈｙ ｄｒｏｇｅｌｓ，ａｎｄｔｈｅｙｈａｖｅｔｈｅａｄｖａｎｔａｇｅｓｏｆｒｅｓｐｏｎｓｉｖｅｎｅｓｓ，ｒｅｖｅｒｓｉｂｉｌｉｔｙ，ａｎｄａｄｊｕｓｔａｂｉｌｉｔｙ．Ａｔｔｈｅｓａｍｅｔｉｍｅ， ａｍｉｎｏａｃｉｄｓａｒｅｔｈｅｍｏｓｔｐｏｐｕｌａｒｍｏｄｕｌｅｓｆｏｒｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｎｇｓｕｐｒａｍｏｌｅｃｕｌａｒｈｙｄｒｏｇｅｌｓ．Ｆｉｎａｌｌｙ，ｔｈｅｆｕｔｕｒｅｏｆ ｓｕｐｒａｍｏｌｅｃｕｌａｒｈｙｄｒｏｇｅｌｓｉｓｐｒｏｓｐｅｃｔｅｄ． Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｓｕｐｒａｍｏｌｅｃｕｌａｒ；ｈｙｄｒｏｇｅｌ；ｐｒｏｇｒｅｓｓ