【人物与科研】清华大学梁琼麟教授和青岛大学王宗花教授AFM综述：智能水凝胶的骨架网络分析

导语

水凝胶是一种三维交联的聚合物网络。受益于对这些网络的灵活设计和合理构建，大量对特定刺激具有响应特征的智能水凝胶受到广泛关注并迅速发展。由骨架聚合物链和有效交联构成的骨架网络是此类软物质的灵魂，响应行为从根本上取决于骨架网络的动态特征。近日，清华大学梁琼麟教授团队和青岛大学王宗花教授团队提出了理解和指导智能水凝胶先进设计和应用的骨架网络分析的新概念（Adv. Funct. Mater., DOI: 10.1002/adfm.202108489）。

梁琼麟教授简介

梁琼麟，清华大学长聘教授。2000年和2005年在清华大学分别获得学士学位和博士学位，历任清华大学化学系讲师、副教授、教授。现任中国医药生物技术协会药物分析分会秘书长、中国分析测试协会青年学术委员会副主任委员、北京理化分析测试技术学会副理事长兼青委会理事长、中国中药协会中药产品开发与培育专业委员会副主任委员、中国药理学会分析药理学专业委员会委员等。

梁琼麟教授课题组简介

梁琼麟教授课题组以微流控芯片及其与质谱、光谱联用分析技术为基础，发展生命分析与药物分析新方法，开发生物医用新材料新器件，构建类器官/器官芯片新模型，致力于服务国家药品质量与安全、新药创制以及中药现代化研究与开发。近年来主要聚焦于器官类器官芯片、单细胞亚细胞分析及基于质谱的多组学分析等。曾主持完成国家重大科技专项第一个微流控芯片药物研发关键技术项目，在器官芯片核心技术及血管、肝、肾、肠等器官芯片模型研究方面取得重要进展。工作以来累计发表SCI论文200余篇，授权发明专利10余项。部分研究成果已在制药企业、临床医院得到广泛应用，获得国家科技进步奖5次，其他省部级奖项10余次。

前沿科研成果

智能水凝胶的骨架网络分析

凝胶是一种内部充满液体（通常为水，即，水凝胶）的三维交联的聚合物网络（Polym. Gels Networks 1993, 1, 5）。聚合物的组成和网络的交联类型、水凝胶的宏观或微观的形态、物理或化学的响应特性以及其在生物化学和生物医学工程领域的应用，是水凝胶材料的常规分类和总结策略。

一方面，水凝胶的微观结构取决于聚合物的组成和网络的交联类型。根据组成，可分为由DNA、多肽、多糖等组成的天然成分水凝胶（Chem. Soc. Rev. 2016, 45, 1410）和由聚丙烯酰胺、聚乙二醇、聚乙烯醇等组成的人工成分水凝胶（Science 1971, 172, 440）。一般来说，生物相容性的天然水凝胶和环境稳定性的人工水凝胶优势互补，赋予水凝胶独特的物理化学性能和多种应用潜力。根据交联类型，有基于共价键的化学交联网络（Angew. Chem., Int. Ed. 2019, 58, 9682）和基于离子键、氢键等的物理交联网络（Chem. Soc. Rev. 2013, 42, 7161），前者通常具有稳定的机械性能，而后者适用于灵活调节。因此，交联网络的合理设计赋予水凝胶材料优异的物理和化学特性。

另一方面，水凝胶具有宏观形态和微观形态。拥有强大机械性能的三维水凝胶块（Adv. Sci. 2018, 5, 1800450）、允许物质快速扩散的二维水凝胶膜（Soft Matter 2009, 5, 511）以及常用于纺丝的一维水凝胶纤维（Adv. Mater. 2017, 29, 1701664），是宏观水凝胶材料的三种常规形态。微观的水凝胶形态多表现为微凝胶或纳米凝胶（Chem. Soc. Rev. 2015, 44, 1948），通常由微流控、自组装等策略制备（Small 2020, 16, 1903940）。随着功能化水凝胶材料的发展，智能响应性水凝胶的机制研究和应用探索已经取得了许多进展，能够感知的刺激因素可以分为物理因素和化学因素。前者通常由光、热等能量转移触发（Nat. Rev. Mater. 2018, 3, 17087），后者主要由各种生物医学分子触发（Chem. Soc. Rev. 2012, 21, 5933）。不同刺激响应的组合激发了大量具有多重响应（Chem. Soc. Rev. 2013, 42, 7421）、形状记忆（Nat. Rev. Mater. 2019, 4, 116）、可注射（Adv. Drug Delivery Rev. 2018, 127, 167）、自愈合（Nat. Rev. Mater. 2020, 5, 562）等特征的水凝胶设计。在此基础上，这些多功能水凝胶被广泛用于细胞培养（Science 2012, 336, 1124）、组织工程（Small 2020, 16, 1902838）、药物递送（Nat. Rev. Mater. 2016, 1, 16071）、生化传感（Nat. Rev. Mater. 2017, 2, 16075）、电子器件（Nat. Rev. Mater. 2018, 3, 125）等领域。

水凝胶的先进应用取决于其优异的物理化学性质，更从根本上取决于其微观结构。水凝胶本质上是交联的聚合物网络，因此基于交联网络微观结构的原理分析具有重要意义。在此，清华大学梁琼麟教授和青岛大学王宗花教授合作提出了理解和指导智能水凝胶先进设计和应用的骨架网络分析的新概念（Adv. Funct. Mater., DOI: 10.1002/adfm.202108489）。

图1. 智能水凝胶的骨架网络分析

（来源：Adv. Funct. Mater.）

具体来说，骨架网络响应（skeletal networks response mechanism，SNR）意味着水凝胶的交联网络在响应过程中历经化学反应，至少导致旧的交联的分解或新的交联的生成；非骨架网络响应（nonskeletal networks response mechanism，N-SNR）则定义为交联网络保持结构性稳定的情况，即使发生溶胀、收缩或扭曲。位于侧链的官能团或负载的响应性分子或许历经物理或化学反应，但并不涉及任何骨架网络聚合物链及其交联。

首先，作者综述以葡萄糖响应性水凝胶和DNA基智能水凝胶为代表的化学刺激响应性水凝胶和以光响应和热响应为代表的物理刺激响应性水凝胶，以论证骨架网络分析的原理。

图2. 对不同葡萄糖响应性水凝胶的骨架网络分析

（来源：Adv. Funct. Mater.）

图3. 对不同DNA基智能水凝胶的骨架网络分析

（来源：Adv. Funct. Mater.）

接下来，作者分别总结和讨论了N-SNR水凝胶和SNR水凝胶的骨架网络动态的表征和转换，进一步论述骨架网络分析概念的同时也为智能水凝胶的实际操作提供指导方案。

图4. N-SNR水凝胶的骨架网络动态表征和转换

（来源：Adv. Funct. Mater.）

图5. SNR水凝胶的骨架网络动态表征和转换

（来源：Adv. Funct. Mater.）

然后，作者系统综述了包括生物化学检测、细胞力学传感、药物递送系统以及先进功能水凝胶等在内的智能水凝胶设计和应用，从多种场景全面阐述水凝胶骨架网络分析的科学理论意义和实践指导意义。

图6. 细胞力学传感研究中的骨架网络分析

（来源：Adv. Funct. Mater.）

图7. 水凝胶基药物递送系统中的骨架网络分析

（来源：Adv. Funct. Mater.）

最后，作者在总结智能水凝胶的骨架网络分析的同时，还从探索智能水凝胶材料及其应用的角度和开发水凝胶体系的时空分析方法的角度进行了展望。

以上成果近日在线发表于Advanced Functional Materials（DOI：10.1002/adfm.202108489），通讯作者为清华大学化学系梁琼麟教授和青岛大学化学化工学院王宗花教授，第一作者为清华大学化学系博士生孙华。

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