《European Polymer Journal》：A review on regulating the mechanical properties and phase transition temperature of UCST hydrogels
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UCST水凝胶具有温度响应特性，其机械性能与相变温度调控是关键研究方向，可应用于精准医疗和智能材料领域。
陈梦琪|刘荣|杨永毅|白启豪|谢丽|朱黄
成都大学药学院，中国四川省成都市610106
摘要
由具有上限临界溶解温度（UCST）的聚合物形成的水凝胶表现出精细的热响应性，对链结构和环境条件的微妙变化非常敏感，这使其特别适用于需要高精度的应用。这一独特特性近年来引起了跨学科研究的广泛关注。UCST水凝胶具有可调相变温度的优势，但其实际应用常常受到机械强度不足的限制。本文系统地探讨了UCST水凝胶的机械性能和相变温度调节策略，以及其背后的调控机制，并对其新兴的商业应用进行了批判性评估。通过这一全面分析，我们旨在推动基于UCST的水凝胶系统的合理设计，从而促进其商业化转化。
引言
水凝胶是一类高度吸水性的交联聚合物，由不溶于水的三维网络结构组成[1]、[2]、[3]。与传统的聚合物材料（如塑料）相比，水凝胶因具有优异的生物相容性而在生命科学领域受到研究人员的关注，同时其独特的柔韧性可避免在人体内引起局部刺激[4]、[5]、[6]、[7]。1960年，Otto Wichterle和Drahoslav Lim首次利用羟乙基甲基丙烯酸酯作为单体和乙烯二甲基丙烯酸酯作为交联剂制备了水凝胶。这种开创性的材料具有稳定的多孔结构，兼具柔软性和出色的生物相容性，为水凝胶在生物学领域的应用奠定了坚实的基础。
刺激响应性水凝胶是最重要的水凝胶类别之一，被广泛用作治疗应用中的药物载体[8]、[9]、[10]。它们能够对外部刺激（如温度[11]、pH值[12]、光[14]、[15]、氧化还原和磁刺激[16]）作出反应。其中，热响应性水凝胶的研究最为深入。作为智能材料，热响应性水凝胶在热刺激下会发生显著的结构和机械变化[17]。这种热响应性的实现通常是通过在水凝胶中加入热响应性聚合物成分来实现的[18]。对于具有下临界溶解温度（LCST）的热响应性聚合物，这些聚合物在温度高于LCST时会发生相分离，在温度低于LCST时恢复为单一相[19]。聚(N-异丙基丙烯酰胺)（PNIPAM）是典型的LCST热响应性聚合物示例，在水介质中的相变温度约为32°C[20]。然而，观察到具有UCST的热响应性聚合物在温度低于UCST时也会发生相分离，这与LCST聚合物的行为相反[21]。与由LCST型聚合物形成的水凝胶相比，由UCST型聚合物衍生的水凝胶表现出更精细的热响应行为，对链结构和周围环境的微妙变化更为敏感。因此，它们的应用场景更加专业和精确，值得进一步研究[22]。例如，冯永强及其同事[23]开发了一种新型的双网络水凝胶，该水凝胶通过四臂聚乙二醇/羧甲基壳聚糖（4-Arm-PEG-SH/CMCS）和琼脂（AG）之间的化学和物理相互作用实现，即PEG-CMCS/AG/MXene。当AG含量分别为25%、33.3%和40%时，该水凝胶的UCST分别为64.7°C、61.1°C和52.3°C。显然，PEG-CMCS/AG/MXene水凝胶的UCST随着AG含量的增加而逐渐降低。这种现象是由于较高的AG含量导致了更多氢键的形成，从而增强了水凝胶的物理交联效果，进而削弱了化学交联网络和物理交联网络之间的相互作用。结果，交联网络溶解所需的温度降低了。此外，这种水凝胶在暴露于近红外光下能够产生光热效应，破坏氢键网络，巧妙地模拟了皮肤毛孔去除分泌物的功能。另一个例子是袁 Conghui 及其同事[24]开发了一系列热响应性粘合水凝胶。该水凝胶由含有季铵盐单体（QCA）、丙烯酸（AA）和丙烯酰胺（AAm）的三元随机共聚物组成。在温度低于UCST时，水凝胶呈现非粘附性，这是由于强烈的聚合物-聚合物相互作用。在温度高于UCST时，氢键解离，导致QCA释放出大量的羧基和酚羟基，这些基团可以与基底相互作用，从而增强水凝胶的粘附性能。因此，这种温度响应性粘合水凝胶在攀爬机器人、执行器、可穿戴传感器、伤口敷料和生物电子学等领域具有潜在应用。
此外，对ScienceDirect上现有文献的分析显示，截至2025年，关于LCST水凝胶的论文数量已超过5000篇，而关于UCST水凝胶的论文数量仅为1000篇。这些数据表明，对UCST水凝胶的研究尚未得到充分开展。目前的综述研究主要集中在它们的形成机制、设计方法和潜在应用场景上。
本文将重点探讨UCST水凝胶的机械性能和相变温度的调控。首先，将机械性能的协同多因素调控分为两类：物理交联水凝胶和化学-物理交联水凝胶。物理交联水凝胶可以通过物理相互作用来提升其机械性能；化学-物理交联水凝胶则通过改变物理相互作用、调整化学交联剂的组成和含量或增加物理缠结来调节机械性能。其次，对上限临界溶解温度（UCST）的精确和宽范围调控分为两类：具有UCST行为的水凝胶和没有UCST行为的水凝胶。对于具有UCST行为的水凝胶，可以通过调整聚合物结构、改变UCST-LCST共聚物比例、调整聚合物浓度和pH值或改变溶剂组成来调节相变温度；对于缺乏UCST行为的水凝胶，可以通过改变聚合物的亲水-疏水平衡或引入物理交联点来实现调控。第三，本文探讨了UCST水凝胶的未来商业潜力，这些应用涵盖抗癌治疗、智能窗户、加密安全和可穿戴智能设备等多个领域（图1）。
小节摘录
UCST水凝胶机械性能的调控
物理交联是构建UCST水凝胶可逆相变性能的主要驱动力[25]、[26]、[27]。然而，与高拉伸强度和延展性的弹性体（如橡胶）相比，UCST水凝胶的机械强度可能较差，这大大限制了其应用潜力[28]、[29]。因此，如何通过物理交联来提高UCST水凝胶的机械性能是一个值得研究的问题。
UCST水凝胶相变温度的调节
水凝胶的UCST行为主要归因于聚合物链之间的相互作用以及聚合物与溶剂之间的相互作用。这些相互作用在温度高于UCST时导致聚合物链的亲水-疏水转变或氢键、静电力的变化，从而实现相变[54]、[55]。因此，任何影响聚合物链亲水性和疏水性的因素都会
UCST水凝胶的未来商业应用
由于出色的生物相容性、亲水性、可控的药物释放和智能药物输送能力，UCST水凝胶已成为各种应用的理想材料[81]、[82]、[83]、[84]、[85]、[86]、[87]。它们的未来商业应用主要集中在作为协同癌症治疗的血管栓塞剂、温度敏感的智能窗户、加密和安全应用以及多功能可穿戴设备等方面。结论与展望
对于UCST水凝胶而言，机械性能和相变温度是决定其适用性的关键因素。本文全面概述了现有提高UCST水凝胶机械性能和调节其相变温度的方法。通过深入探讨这些方法的本质，提供了有价值的见解，有助于设计和开发具有多种功能的UCST水凝胶。
CRediT作者贡献声明
陈梦琪：撰写——原始草稿、方法学、实验研究。刘荣：撰写——审稿与编辑、监督、方法学、资金获取、概念构思。杨永毅：实验研究。白启豪：实验研究。谢丽：方法学。朱黄：软件支持。
利益冲突声明
作者声明没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。
致谢
作者感谢农业农村部粗粮加工重点实验室启动项目（项目编号2020CC015）和四川省教育厅项目（项目编号JG2021-1107）的财政支持。
