基于pH响应性水凝胶的生物活性自修复水泥基材料：新型DMAEMA水凝胶的构建、表征与应用潜力

《ACS Omega》：A pH-Responsive Hydrogel for Bioactive Self-Healing Cementitious Materials

为提升生物自修复混凝土（Bioconcrete）中微生物的生存与修复效能，本研究设计并合成了一种基于N,N-二甲基氨基乙基甲基丙烯酸酯（DMAEMA）的pH响应性超吸水性水凝胶（N7）。该水凝胶在pH 8-13范围内呈现显著的溶胀差异性（pH 8时溶胀25倍，pH 13时溶胀7.5倍），并成功支持了极端嗜热嗜碱菌Clostridium paradoxum内生孢子的萌发与增殖。这为开发高效、可控的微生物载体，以解决混凝土微裂缝的自修复难题提供了创新性解决方案。

　　

水泥构筑了现代社会的骨骼，但一个长期困扰工程师们的“阿喀琉斯之踵”是微裂缝。这些肉眼难辨的缝隙一旦形成，水和腐蚀性物质便会乘虚而入，侵蚀钢筋，最终危及整个结构的安全。传统修复方法往往耗时费力且成本高昂，于是，科学家们将目光投向了自然界——能否让混凝土像生物体一样，拥有“自愈”能力？这就是“生物自修复混凝土”（Bioconcrete）的宏伟构想。其核心是利用微生物诱导碳酸钙沉淀（MICP）来封堵裂缝。然而，将脆弱的微生物“移民”到高碱性（pH>13）、环境严酷的水泥基体中，并让它们长期存活、在需要时“苏醒”工作，是一个巨大的挑战。以往将微生物孢子封装在轻质膨胀粘土骨料中的策略，存在孢子易流失、影响混凝土工作性和强度等问题。因此，寻找一种既能保护微生物，又能智能响应裂缝环境的新型载体，成为该领域的关键突破口。

近期发表在《ACS Omega》上的一项研究，为我们带来了一个颇具潜力的解决方案。来自丹麦技术大学等机构的研究团队，针对上述难题，开展了一项关于pH响应性水凝胶用于生物活性自修复水泥基材料的研究。他们成功设计并合成了一种新型的智能水凝胶载体，该载体能根据环境pH值的变化“聪明地”调整自身行为，从而为封装其中的微生物孢子创造最佳生存与工作条件。

为开展此项研究，研究人员主要运用了以下几项关键技术方法：首先，他们通过原位自由基共聚法，以DMAEMA为骨架，结合不同共聚单体合成了九种pH响应性超吸水性水凝胶。其次，利用“茶包法”系统测定了水凝胶在pH 8至13范围内的溶胀性能。第三，通过等温微量热法评估了水凝胶对嗜碱厌氧菌Clostridium paradoxum DSM 7308^T内生孢子的生物相容性，监测了孢子在凝胶内的萌发和生长代谢热。第四，采用固体魔角旋转核磁共振（¹³C MAS NMR）和交叉极化魔角旋转核磁共振（¹³C{¹H} CP/MAS NMR）以及衰减全反射傅里叶变换红外光谱（ATR-FTIR）对优选水凝胶的分子结构进行了表征。最后，通过压缩测试分析了水凝胶的机械性能（弹性模量）。

研究结果

3.1. pH响应性水凝胶的溶胀特性

研究人员系统测试了九种合成水凝胶的pH依赖性溶胀能力。其中，水凝胶N1-N4在pH 8-13范围内未表现出预期的pH响应性。而含有羟乙基甲基丙烯酸酯（HEMA）的N5和N6在pH 13时溶胀轻微，随着pH降低溶胀增加。在所有的水凝胶中，编号为N7（由DMAEMA、N,N-二甲基丙烯酰胺（DMAAm）和聚乙二醇二甲基丙烯酸酯（PEGDMA）以摩尔比10:20:1合成）的水凝胶表现最为突出，展现出最显著的pH依赖性溶胀行为：在pH 8的温和碱性条件下，其溶胀能力高达其干重的25倍；而在模拟新拌混凝土的高碱性环境（pH 13）下，其溶胀被有效抑制，仅为干重的7.5倍。与之形成对比的是，作为对照的商业化丙烯酰胺水凝胶的溶胀趋势相反，在pH 13时溶胀最大。这一特性对于生物混凝土应用至关重要，因为水凝胶在混凝土拌和与硬化期的高pH下溶胀有限，有助于维持基体结构的完整性，避免产生有害大孔；而当裂缝形成导致局部pH下降时，水凝胶又能显著溶胀，从而封堵裂缝并为微生物活动提供湿润环境。

3.2. pH响应性水凝胶N7的生物相容性

研究通过等温微量热法评估了N7水凝胶的生物相容性。将C. paradoxum的内生孢子嵌入水凝胶中，再水化于生长培养基后，可以监测到明显的代谢热流，表明孢子成功萌发并生长。尽管水凝胶中孢子的热流峰值出现时间比在液体培养基中稍晚，但累积产热量相似，说明水凝胶能有效支持细菌的增殖达到与液体培养相当的生物量。对照实验（不含孢子的无菌水凝胶）无热流信号，证实热量来源于细菌代谢。与已知生物相容的丙烯酰胺水凝胶相比，N7水凝胶中孢子的存活率和萌发效率都很高，证明其聚合过程（包括单体的去除）对微生物是友好的，具备优异的生物相容性。7 endospores/mL) germinating and growing in liquid YTP growth medium and encapsulated in N7-hydrogel hydrated in YTP growth medium.">

3.3. pH响应性N7水凝胶的分子结构

通过¹³C MAS NMR、¹³C{¹H} CP/MAS NMR和ATR-FTIR光谱分析，研究人员证实了N7水凝胶的预设分子结构，并阐释了其性能的分子基础。NMR谱图中，46.2 ppm处的信号归属于DMAEMA的─N(CH₃)₂基团，该基团的质子化/去质子化是水凝胶pH响应的关键。~175 ppm处的宽峰对应酯和酰胺的羰基碳，证明了DMAAm和PEGDMA的成功接入。ATR-FTIR光谱在1713 cm^-1（酯C=O伸缩振动）和1639 cm^-1（酰胺C=O伸缩振动）处的特征峰进一步支持了该结构。DMAAm提供了亲水性和抗碱性水解能力，PEGDMA作为交联剂增强了网络稳定性，而DMAEMA则赋予了pH响应特性。13C MAS (a) and ¹³C{¹H} CP/MAS (b) NMR spectra for the synthesized N7-hydrogel...">

3.4. N7水凝胶的机械性能

对水凝胶不同部位进行的重复压缩循环测试表明，N7水凝胶的聚合均一性良好。在高达35%的压缩应变下，水凝胶未发生破裂，且整体表现出高度一致的弹性模量，约为40 kPa。这种稳定的机械性能表明其聚合过程可重复，且凝胶网络结构均匀，有利于作为可靠的载体材料。

结论与意义

本研究成功合成并表征了一种基于DMAEMA的新型pH响应性、生物相容性水凝胶（N7）。该水凝胶巧妙地整合了三种单体的功能：DMAEMA提供pH响应开关，DMAAm保障亲水性与稳定性，PEGDMA控制交联度。其最显著的优势在于拥有宽广且渐变的pH响应范围（pH 8-13），溶胀行为与混凝土裂缝环境的变化（裂缝处pH降低）高度匹配。这使其能够在混凝土完好的高碱区域保持低溶胀，不影响基体性能；而在裂缝出现的较低pH区域实现高溶胀，主动封堵裂缝并激活微生物修复功能。

更重要的是，研究通过严谨的生物相容性实验证明，该水凝胶的合成工艺（包括洗涤去除未反应单体）能很好地保留内生孢子的活性，并支持其萌发和旺盛生长。与之前报道的用于生物混凝土的壳聚糖基pH响应水凝胶相比，N7水凝胶在pH 13下的溶胀降低了近50%，这有助于最大程度减少对水泥基材料流变性和抗压强度发展的不利影响。

综上所述，这项研究不仅为生物自修复水泥基材料提供了一种性能优异的新型智能微生物载体解决方案，也展示了通过理性分子设计调控高分子材料性能，以满足特定工程与生物界面需求的成功范例。这种兼具环境响应性、生物相容性和适宜机械性能的水凝胶，在延长混凝土结构寿命、推动基础设施的智能化与可持续发展方面，展现出强大的应用潜力。