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摘要
水凝胶良好的生物相容性使得它在生物医疗领域有广阔的应用前景，经过修饰改性后，其自修复与愈创、传导生物电信号等功能陆续得到实现。然而传统水凝胶力学强度差、无法适应极端环境、无法阻止水蒸发等诸多限制使得它的应用领域受到制约。本文介绍水凝胶具有生物相容性的原因，然后归纳了国内外对于功能性水凝胶的研发进展，最后对水凝胶的部分应用进行列举。
1.水凝胶
水凝胶是一种交联形成的高含水量的网状聚合物，是第一种开发出用于人体的生物材料，在与血液、体液及人体组织相接触时表现出良好的生物相容性（生物相容性指材料在具体应用中表现的适当的宿主反应能力，分为组织相容性、血液相容性和免疫相容性三种），既不影响生命体的代谢过程，又可以使代谢产物通过水凝胶排出。水凝胶比其它任何合成生物材料都接近活体组织，在性质上类似于细胞外基质部分，吸水后可减少对周围组织的摩擦和机械作用，显著改善材料的生物学性能[1]。水凝胶还具有溶胀特性，在溶胀发生时，溶剂分子先进入凝胶网络结构与大分子形成溶剂化层并伴有体积收缩现象，之后溶剂分子持续渗透才大大增加结构体积。这种吸收溶剂却不溶解的性质使得水凝胶在药物释放、重金属离子吸附等领域都有广泛的应用和研究。
决定水凝胶性质的重要组分是水。高温与低温环境下都会影响传统水凝胶的使用，而水又会不可避免地挥发到空气中，从而大大降低了水凝胶的力学与流变性能。并且，当前很多水凝胶是在额外的粘合剂（例如绷带，透明胶带或3M粘合剂）的辅助下附着在皮肤上的。这些粘合剂特别是施用于脆弱的皮肤上时表现出对皮肤的过度粘合，并且不容易除去[2]。因此，对集保水性、韧性以及粘附性等附加性质于一身的多功能水凝胶的需求日渐迫切。
2.功能性水凝胶
自然界中的生物常常能带来新的灵感。1980年代初期，科学家提取了海洋生物贻贝的分泌足，发现其中一种由大量赖氨酸，3,4-二羟基苯丙氨酸（DOPA）和4-羟基脯氨酸分子组成的蛋白质成分对该生物对湿表面的粘附起了重要作用[3]。而聚多巴胺（PDA）与海洋贻贝分泌的粘附蛋白在结构上相似，实验证明其对各种底物具有强粘附力，受到广泛应用[4]。受到贻贝粘附化学的启发，Han等人成功地获得了以贻贝为灵感的甘油-水水凝胶（GW-水凝胶），以PDA装饰的CNTs作为导电纳米填料，展现出良好的组织粘附性。Han等人还设计出了一种聚多巴胺-硫酸软骨素-聚丙烯酰胺（PDA-CS-PAM）水凝胶，具有良好的黏附性与机械性能，用于植入体内引导软骨再生。Han与Yan等人通过原位形成聚多巴胺掺杂的聚吡咯（PDA-PPy）纳米原纤维，使它们交织在弹性透明的聚丙烯酰胺（PAM）网络中来制备可粘合的水凝胶[5]。
优异的机械性能（包括良好的柔韧性和可恢复性）是水凝胶用于软组织修复的基本要求。近来，已经设计出坚韧的水凝胶，包括互穿网络水凝胶，双网络水凝胶和纳米复合水凝胶用于组织再生，因为它们具有与软组织匹配的良好机械性能。Gan等人使用聚乙二醇二丙烯酸酯（PEGDA）作为交联剂进行化学交联，而季铵化壳聚糖（QCS）被掺入水凝胶中形成物理交联制备了AMD三元共聚物，其韧性高达9168 J m-2[6]。Li 等人在氢键诱导的GO /硬硅钙石网络和渗透的PAM链网络的协同作用下，构建了一种由氧化石墨烯（GO）纳米片，硬硅钙石纳米线和聚丙烯酰胺（PAM）组成的生物启发性三元水凝胶，具有22 MJ m-3的高韧性，伸长率为2750％[7]。Chen等人合成了完全物理连接的琼脂/聚（N-羟乙基丙烯酰胺）（琼脂/ pHEAA）DN水凝胶，显示出高抗张强度（asymp;2.6MPa），高韧性（asymp;8000J m-2）和高延展性（asymp;8倍）等良好的界面韧性[8]。
3.水凝胶应用
具有优良界面韧性的复合水凝胶可加入导电材料进行生物传导电信号，能够拓宽应用范围，应用于工业、农业、生物医疗等领域。Wang等人制备了一种由脱落的Laponite XLG纳米片物理交联的两性离子纳米复合电导水凝胶，能够粘附到皮肤，玻璃，硅橡胶和丁腈橡胶等各种基材上，并可以实现重复粘附和剥离，有望用于皮肤应变传感器来监测人体的运动[9]。基于GW水凝胶的电极可适用于在某些极端条件下收集生物信号，例如滑雪，极地和沙漠探险等。
