水凝膠的多孔結構有利于藥物的控制釋放以及離子和溶劑的快速擴散，拓展了其在藥物遞送、海水淡化、分離以及能量存儲等領域的應用。此外，水凝膠對環境刺激的響應性使其成為理想的智能材料，可用于軟傳感器和機器人執行器等高科技領域。

然而，傳統的水凝膠由于其共價鍵交聯的單一聚合物網絡結構，往往在機械完整性與質量傳輸、強度與韌性、以及膨脹與穩健性之間存在固有的權衡，這限制了其在需要平衡性能的應用中的表現。相比之下，自然材料通過精確調控多個長度尺度上的相互作用，進化出了優化的結構，這些結構能夠在溫和條件下自組裝，并且能夠動態響應刺激、提供結構支持以及自我修復。這些自然結構的形成依賴于一系列精妙控制的非共價相互作用，這些相互作用在特定刺激下觸發生物單體和大分子的聚集，從而形成具有特定功能的結構，如孔隙、纖維和層次化網絡。

受這些自然結構的啟發，研究人員開始通過精細調控非共價相互作用誘導的聚集來解決水凝膠材料面臨的挑戰。非共價相互作用，如氫鍵、疏水相互作用和離子相互作用等，因其可逆性和動態性，能夠通過溫和的制備條件進行方便的調節，這使得水凝膠在性能上具有更高的可調性。

加利福尼亞大學賀曦敏團隊深入探討了非共價相互作用在水凝膠中的作用，通過系統總結非共價相互作用的分類、加工方法以及結構優化與性能提升之間的關系，為未來水凝膠的研究和應用提供理論基礎和創新思路。通過分析非共價相互作用在不同水凝膠系統中的行為，本文旨在構建一個框架，以理解結構與性能之間的關系。相關內容以“Noncovalent Aggregation for Diverse Properties in Hydrogels: A Comprehensive Review”為題發表再《

Chemical Reviews.

【主要內容】

圖1 由天然材料的生物啟發開發的合成水凝膠材料

1. 非共價相互作用的類型及其在水凝膠中的作用

1.1 強非共價相互作用

離子相互作用：離子相互作用通過電荷之間的靜電吸引來形成網絡交聯，顯著增強水凝膠的機械性能。例如，藻酸鹽（Alginate）通過與二價金屬離子（如鈣離子）形成離子交聯來構建水凝膠網絡。這種交聯方式不僅提高了水凝膠的機械強度，還使其在中性條件下保持穩定。然而，由于水凝膠的含水性，離子強度或pH值的變化可能會顯著改變其性質。

氫鍵：氫鍵是一種較強的非共價相互作用，通常涉及氫原子與高電負性原子（如氧、氮或氟）之間的相互作用。在水凝膠中，氫鍵可以通過聚合物鏈之間的氫鍵形成物理交聯點。例如，在聚乙烯醇（PVA）和聚丙烯酸（PAA）水凝膠中，氫鍵可以增強水凝膠的結構完整性和機械強度。

1.2 弱非共價相互作用

疏水相互作用：疏水相互作用是由非極性區域在水中相分離的趨勢驅動的，這種相互作用在水凝膠中可以增強聚合物鏈的聚集。例如，在聚(N-異丙基丙烯酰胺)（PNIPAM）水凝膠中，疏水相互作用使得異丙基基團在溫度變化時發生聚集，從而表現出溫度響應性。

π-π相互作用：π-π相互作用涉及芳香環之間的堆疊，這種相互作用在水凝膠中可以增強電子性質。例如，在DNA水凝膠中，π-π相互作用與氫鍵共同作用，形成穩定的雙螺旋結構

范德華力：范德華力包括色散力、偶極-偶極相互作用和誘導偶極相互作用。雖然這些相互作用較弱，但在維持水凝膠的結構完整性方面起著重要作用。例如，在蛋白質和聚合物中，范德華力有助于維持其三維結構。

1.3 混合非共價相互作用

協同和競爭：在實際的水凝膠系統中，多種非共價相互作用通常同時存在，它們之間可能存在協同作用或競爭關系。例如，氫鍵與π-π堆疊的結合可以增強水凝膠的機械性能和自愈合能力。相反，離子相互作用可能會干擾氫鍵的形成，但在某些條件下也可以增強網絡的穩定性。

特殊混合相互作用系統：自然界中存在一些復雜的混合相互作用系統，這些系統通過多種非共價力的協同作用實現獨特的功能。例如，DNA水凝膠通過氫鍵和π-π堆疊之間的協同作用形成穩定的雙螺旋結構。

圖2 聚集水凝膠網絡中非共價相互作用的代表性示例

2. 非共價相互作用在水凝膠中的具體應用

2.1 組織工程

機械性能與生物相容性：在組織工程中，水凝膠需要與天然組織相匹配的機械性能和生物相容性。通過調控非共價相互作用，可以設計出具有適當機械強度和孔隙結構的水凝膠，以支持細胞的粘附和增殖。例如，通過冰模板法（ice templating）可以制備出具有定向孔隙結構的水凝膠，這種結構有助于細胞的滲透和組織生長。

孔隙結構調控：孔隙結構的調控對于水凝膠在組織工程中的應用至關重要。通過非共價相互作用誘導的聚集，可以形成具有特定孔隙大小和分布的水凝膠。例如，通過添加非溶劑或鹽類可以誘導相分離，從而形成多孔結構，這有助于營養物質的運輸和細胞的代謝。

2.2 藥物遞送

控制釋放：非共價相互作用在藥物遞送系統中起著關鍵作用。通過調控氫鍵、疏水相互作用和離子相互作用，可以實現藥物的控制釋放。例如，通過改變pH值或溫度可以觸發水凝膠的膨脹或收縮，從而控制藥物的釋放速率。

藥物負載能力：非共價相互作用還可以提高水凝膠的藥物負載能力。例如，通過疏水相互作用可以增強水凝膠對疏水性藥物的負載，從而提高藥物遞送系統的效率。

2.3 軟電子學

離子導電性：在軟電子學中，水凝膠需要具有高離子導電性和機械穩定性。通過調控非共價相互作用，可以設計出具有高離子導電性的水凝膠。例如，通過添加離子液體或鹽類可以增強水凝膠中的離子傳輸，從而提高其導電性。

機械性能：非共價相互作用還可以增強水凝膠的機械性能，使其能夠在機械變形下保持穩定。例如，通過氫鍵和離子相互作用的協同作用可以設計出具有高韌性和自愈合能力的水凝膠，適用于柔性電子設備。

3. 非共價相互作用的調控方法

3.1 自發自組裝

自發自組裝：在某些條件下，聚合物鏈之間的非共價相互作用可以自發地誘導聚合物鏈的聚集，形成有序的微觀結構。例如，通過氫鍵和π-π堆疊可以形成超分子水凝膠。這種自組裝過程通常在溫和的條件下進行，適用于制備具有特定功能的水凝膠。

圖3 自發自組裝

3.2 溶劑擾動

溶劑擾動：通過改變溶劑的性質，可以誘導聚合物鏈之間的非共價相互作用，從而促進聚合物鏈的聚集。例如，通過添加非溶劑或鹽類可以誘導相分離，從而形成多孔結構。這種方法可以用于制備具有特定孔隙結構的水凝膠，適用于組織工程和藥物遞送等領域。

圖4 溶劑擾動

3.3 添加交聯劑

添加交聯劑：通過添加交聯劑可以增強聚合物鏈之間的非共價相互作用，從而形成物理交聯網絡。例如，通過添加離子交聯劑或顆粒交聯劑可以增強水凝膠的機械性能。這種方法可以用于制備具有高機械強度和自愈合能力的水凝膠。

圖 5 添加交聯劑

【全文結論】

非共價相互作用在水凝膠中的作用是多方面的，通過調控這些相互作用，可以實現水凝膠在多種應用中的優化。從組織工程到藥物遞送，再到軟電子學，非共價相互作用為水凝膠的設計和應用提供了廣闊的可能性。未來的研究將進一步探索這些相互作用的調控機制，以開發出具有更高性能和功能的水凝膠材料。

來源：BIoMed科技