《Gels》：Gelatin Hydrogel Crosslinking: From Molecular Design to Functional Soft Materials
编辑推荐：
明胶水凝胶兼具生物来源、生物降解性、丰富的化学官能度和广泛的加工性，但其天然的温敏可逆物理网络通常缺乏持续运行所需的稳定性。交联在调节水合作用、力学性能、传输、降解和响应性的同时，克服了这一局限。本综述从结构-性能-功能（structure–property–
明胶水凝胶兼具生物来源、生物降解性、丰富的化学官能度和广泛的加工性，但其天然的温敏可逆物理网络通常缺乏持续运行所需的稳定性。交联在调节水合作用、力学性能、传输、降解和响应性的同时，克服了这一局限。本综述从结构-性能-功能（structure–property–function）视角审视明胶水凝胶交联，将分子设计与物理化学表征及功能表现联系起来。将温度诱导凝胶化和离子介导的物理相互作用与小分子和偶联剂介导、酶催化和光诱导的共价交联策略进行了比较，强调了它们在可逆性、稳定性、可加工性和生物相容性之间的不同平衡。特别关注了将交联点化学与网络组织同溶胀、热行为、力学响应、降解以及分子或离子传输相关联所需的表征方法。上述关系在药物递送与控释、组织工程与伤口愈合、食品包装、保鲜与递送、水修复与环境管理、可穿戴传感与生物电子学以及能量存储等领域进行了评估。在这些领域中，核心挑战不是最大化交联，而是在网络稳定性与功能所需的分子流动性之间取得平衡。通过将互补的交联机制与多尺度表征相结合，明胶可以被工程化为面向先进软材料的可编程平台。
1. 引言
明胶水凝胶作为天然衍生大分子形成的水合网络，凭借其柔软性、渗透性、高含水量、生物降解性和化学官能度，成为具有吸引力的可持续软材料。明胶由胶原蛋白部分水解获得，依据提取路线分为A型和B型，其等电点、电荷分布、分子量和氨基酸组成影响交联效率与网络性质。天然明胶水凝胶通过冷却时形成的可逆三螺旋结构域实现物理交联，但网络稳定性强烈依赖温度、pH、离子强度和热历史，易发生软化、溶胀、溶解或降解。因此，交联不仅是稳定明胶的手段，更是调控力学性能、溶胀、分子传输、降解和响应性的分子设计工具。本综述基于结构-性能-功能统一框架，比较温度诱导凝胶化、离子介导相互作用、小分子与偶联剂交联、酶促交联和光交联等策略，并将其应用于六个主要领域。
2. 交联策略
2.1 物理交联
2.1.1 温度诱导凝胶化
温度诱导凝胶化是明胶最本征的物理交联形式，依赖可逆的非共价缔合。冷却促使明胶链重组为类似胶原的三螺旋结构域，作为物理交联区域连接柔性链段，形成水溶胀网络。氢键、疏水相互作用、范德华力和链缠结共同维持网络稳定。聚合物浓度、Bloom强度、冷却速率、老化时间和热循环等调控最终凝胶性质。该策略加工温和且可热塑形，但长期稳定性有限，升温或稀释可能造成网络瓦解。
2.1.2 离子介导相互作用与增强
离子通过调制明胶物理网络而非取代其作用。明胶的电荷分布和两性特性决定其对离子的敏感性。阳离子的影响不能仅由价态预测，如Fe3?可增强网络。阴离子主要通过Hofmeister效应影响蛋白质水合和三螺旋形成。在明胶/多糖杂化体系中，离子可交联第二聚合物（如海藻酸盐、酪蛋白酸盐），明胶提供柔软性和弹性，实现协同增强。
2.2 化学交联
2.2.1 共价交联剂与偶联剂
醛类交联剂（如戊二醛）与赖氨酸氨基反应形成亚胺结构，提高刚度和水稳定性，但有细胞毒性风险。氧化多糖（如氧化葡聚糖）通过Schiff碱形成动态共价网络。京尼平作为天然交联剂，反应温和且细胞毒性低。碳二亚胺（EDC/NHS）介导零长度酰胺交联，不引入间隔臂。这些策略各有反应速率、残余反应性和降解性的权衡。
2.2.2 酶促交联
微生物转谷氨酰胺酶（mTG）催化谷氨酰胺和赖氨酸残基形成ε-(γ-谷氨酰基)赖氨酸异肽键，无需化学修饰即可直接交联明胶。辣根过氧化物酶（HRP）在过氧化氢存在下氧化酚基形成共价交联。酪氨酸酶和漆酶提供进一步的氧化交联途径。酶促交联条件温和且选择性高，但受底物可及性和反应动力学影响。
2.2.3 光交联
光交联实现时空可控的网络形成。明胶甲基丙烯酰基（GelMA）是应用最广的光交联衍生物，通过甲基丙烯酸酐修饰赖氨酸残基引入聚合基团，在光引发剂存在下自由基聚合。光引发剂化学、波长和照射条件影响转化率与生物相容性。钌/过硫酸钠（Ru/SPS）体系可氧化天然酪氨酸残基直接交联未修饰明胶。降冰片烯功能化明胶通过硫醇-烯反应形成更均匀网络。光交联与温度诱导物理凝胶化的相互作用对最终性能有显著影响。
3. 明胶水凝胶的物理化学表征
3.1 交联的化学确认
傅里叶变换红外光谱（FTIR）用于表征酰胺带变化和特定反应信号，但需补充分析验证。核磁共振（NMR）对功能化修饰（如GelMA）的取代度量化至关重要。茚三酮和TNBS比色法测定游离伯胺消耗，支持交联发生，但不能单独证明有效网络形成。X射线光电子能谱（XPS）适用于表面分析。
3.2 物理网络结构与形态
扫描电子显微镜（SEM）揭示冻干形态的孔结构，但干燥过程可能改变原生水合结构。原子力显微镜（AFM）提供表面组织、纳米粗糙度和局部刚度信息，AFM纳米压痕可用于表征细胞接触界面的力学均匀性。共聚焦激光扫描显微镜适合水合样品的三维内部结构、填充物分布和细胞定位。小角X射线散射（SAXS）和中子散射（SANS）在接近天然水合态下提供纳米尺度相关长度和组织信息。X射线衍射（XRD）对含有序域或结晶填充物的复合凝胶适用。
3.3 水合与热学性质
溶胀实验评估平衡溶胀比和水吸收动力学，Weibull方程等经验模型可用于定量比较。差示扫描量热法（DSC）研究螺旋-线团转变、熔融和可冻结/不可冻结水的区分。热重分析（TGA）量化水损失和热降解过程。热表征必须考虑热历史和物理-化学交联共存的影响。
3.4 力学与功能表征
流变学通过时间-频率-应变扫描跟踪凝胶化、粘弹性和网络强度，频率依赖性和弛豫行为比单一储能模量更具信息量。压缩和拉伸测试分别适用于支架和可变形薄膜。动态加载测试评价滞后、疲劳和恢复。稳定性测试监测质量损失、溶胀和力学保留。功能表征按应用选择释放曲线、离子电导率、灵敏度、响应时间和循环稳定性等指标。
4. 应用
4.1 药物递送与控释
交联通过调节网络孔径、溶胀和降解速率控制药物释放，Higuchi模型和Korsmeyer-Peppas模型用于解释释放机制。戊二醛、京尼平、酶促和光交联体系均已被用于抗生素、抗炎药、生长因子等递送。交联密度需要与治疗时间尺度匹配，过度致密化可能限制释放。
4.2 组织工程与伤口愈合
交联维持支架形状、调节水合和降解速率与组织形成相匹配。mTG交联明胶在心肌组织工程中支持心肌细胞搏动和成熟标记表达。GelMA和Ru/SPS光交联体系用于三维生物打印和脂肪组织模拟。交联度决定基质刚度、孔隙可及性和配体可及性，灭菌方式亦影响网络性能。
4.3 食品包装、保鲜与递送
mTG交联用于食品级明胶膜和益生菌包埋。戊二醛改善水蒸气阻隔但存在毒性问题，京尼平和酶促交联被视为更安全的选择。光交联GelMA涂层负载活性微球用于水果保鲜，延缓褐变和微生物生长。中间程度的交联有利于消化过程中的分子流动性和生物可及性。
4.4 水修复与环境管理
明胶网络的氨基、羧基和羟基可与金属离子和染料相互作用。戊二醛交联明胶/纤维复合材料吸附Cr(VI)。明胶/TiO?/PEI气凝胶结合吸附和光催化。磁性明胶/壳聚糖吸附剂便于回收。漆酶固定在戊二醛交联明胶珠中用于催化降解。吸附性能需考虑实验条件，明胶常作为功能组分骨架而非主要吸附主体。
4.5 可穿戴传感与生物电子学
交联与盐析效应结合可制备高拉伸明胶水凝胶传感器。全生物基明胶/甘油有机水凝胶通过mTG交联实现导电和应变传感。AgNW/PEDOT:PSS导电填充物提供低滞后和高灵敏度。京尼平交联明胶薄膜用于心脑电信号采集。实际评价需考虑滞后、漂移、脱水、汗液稳定性和疲劳行为。
4.6 能量存储
明胶水凝胶作为柔性超级电容器和锌电池的电解质基质。物理增强和盐析提高力学稳定性而不牺牲离子传输。离子交联明胶-海藻酸盐有机水凝胶中Cu2?网络紧凑，Mn2?网络松弛，分别优化能量密度和循环保持率。化学增强网络用于抑制锌枝晶和调控Zn2?脱溶剂化。电解质设计需平衡离子迁移率和界面稳定性。
5. 结论与展望
明胶水凝胶性能由交联点化学、分布、动力学和层级组织共同决定，而非仅由交联密度决定。核心挑战在于平衡网络稳定性与功能所需分子流动性。将互补交联机制与多尺度表征整合可实现可编程材料设计。未来方向包括机器学习预测设计和标准化数据集建立，以及更安全、可持续的绿色交联策略。
