广西师范大学学报·自然科学版杂志投稿格式参考范文：水凝胶技术在微藻采收中的应用: 现状、 挑战与发展分析

　　当今社会大量能源需求主要依赖于常规化石燃料，如煤炭(43%)、石油(36%)和天然气(20%)等，然而常规化石能源的迅速耗竭及大量温室气体排放等引发一系列社会与环境问题，能源转型与新能源开发的需求十分迫切。微藻作为一种可再生资源，具有生长快、不占用农用地和可净化污水等优点，在污水处理和资源化领域具有发展潜力。微藻可将太阳能转化为氢、烃、醇、油脂等可再生能源物质储存于胞内，作为生物柴油、醇基燃料、生物制氢技术、微藻产烃、生物肥料及微藻塑料等原材料，可以在一定程度上满足工业和农业应用需求。然而，由于微藻细胞尺寸小(3~30μm)，密度接近水(1.07~1.14g/m³)且表面呈负电性等原因，导致微藻难以自然沉降与水分离，使得微藻采收成本占总生产成本的 20%~30%，严重限制了其规模化和工业化生产。

　　传统微藻采收技术包括物理法(如离心、膜过滤和浮选)、化学法(如絮凝)和电磁法(如电絮凝和磁絮凝)，这些技术的应用普遍需要大量能耗和较高运行成本来驱动，且易对微藻细胞造成损伤。在此背景下，利用水凝胶吸水溶胀开发研究的微藻采收技术因具有易制备、吸水能力强和易于细胞分离等优点受到广泛关注。基于此，本文重点总结水凝胶制备技术的发展及其在微藻采收领域的应用现状，并进一步分析其目前的应用限制和主要原因。针对水凝胶采收微藻过程中存在的吸水性能和机械性能难以兼顾优化及水凝胶技术规模化应用难以推广等问题，提出优化建议和发展方向展望。水凝胶技术具有简便易行以及无毒环保等优势，有助于实现微藻生物质能源的可持续利用，对降低微藻生产成本和推动微藻可再生能源的发展具有重要意义。

　　1 基于水凝胶的微藻采收技术研究概述

　　水凝胶是一种功能性高分子材料，具有强亲水性和三维网络结构。由于其结构特性，水凝胶可以吸收自身质量数百倍甚至数千倍的水分。除此之外，水凝胶在吸收水分后具有一定的机械强度和优异的保水性能。因此，其被广泛应用于生物医学工程、食品技术、农业工程和水资源工程等领域。在微藻采收过程中，可利用水凝胶的高吸水特性，对微藻悬浮液中水分进行快速吸收，只需少量颗粒就能实现显著的浓缩效果。收获后，水化的颗粒易与浓缩的微藻分离，并可再生以便多次使用。Martín del Campo 等首次提出一种利用聚丙烯酸合成的高吸水性聚合物(SAPS)来采集淡水微藻培养物的新方法，发现该 SAPS 在 4h 内可有效收获微藻生物质，并在收获过程中没有对微藻细胞造成损伤。Wei 等通过使用聚丙烯酸超吸水性聚合物(PSAPs)来浓缩微藻，从而提高微藻的浓度。

　　研究表明，PSAPs 经过 3 次循环后仍保持 91.45% 的吸水性能。该方法可以在不需要进一步脱水的情况下，直接将浓缩后的微藻用于生物燃料的生产。根据需求进行设计和制备的水凝胶材料可提高对微藻的采收效率。具体而言，水凝胶材料表现出优异的吸水性能和稳定性，在微藻培养液中迅速吸水并排斥微藻细胞，通过调整其物理和化学特性可控制吸水和纯化分离效果。因此，基于水凝胶的微藻采收技术具有多重优点。首先，它能高效采集微藻细胞以提升采收效率;其次，该材料可反复使用，降低了采收过程中的材料消耗与成本;第三，该技术对微藻细胞造成较小损伤且无生物毒害作用，保持了微藻完整性与活性。因此，利用水凝胶技术采收微藻，具有高效、低耗和无生物毒性等优势，表现出较大发展潜力。

　　2 应用于微藻采收的水凝胶改性优化方法

　　将干燥的水凝胶颗粒加入待采收的微藻悬浮液中，这些颗粒即可迅速吸水并膨胀。在此过程中，水凝胶可利用自身的微观结构网罗捕获水分子，从而通过吸收超过自身质量的水分，并利用尺寸差异将微藻细胞排除在颗粒外部，微藻悬浮液即被有效浓缩，水凝胶颗粒则可以轻松地与浓缩藻液分离，并进行再生以供多次使用。水凝胶的吸水性能对于浓缩效果具有重要影响，若水凝胶吸水性不足，则可能导致微藻浓缩效果不佳。此外，水凝胶在浓缩微藻过程中也会不断膨胀，需要承受较大的压力、拉力和剪切力等，所以需具备足够的强度和稳定性，以确保其在微藻采收过程中的可靠性和持久性。水凝胶的机械性能不佳，可能会导致水凝胶颗粒破裂或变形，从而影响微藻的浓缩效果，甚至引入杂质，污染藻液。因此，需改进水凝胶的机械性能，以增强其稳定性，确保浓缩过程的顺利进行。浓缩微藻后的水凝胶应进行回收和再利用，以延长其使用寿命，减少投加成本。基于水凝胶自身特性及其在采收微藻过程中的应用局限性，本文提出了一系列优化策略，旨在提升水凝胶的吸水性能和机械性能，从而提高微藻的浓缩效果和经济效益。

　　2.1 水凝胶吸水性能的优化与发展

　　水凝胶的吸水性能对微藻采收具有重要影响，而水凝胶吸水能力受到多个因素影响，包括聚合物链上存在的亲水基团、凝胶网络结构形态差异、凝胶内外部溶液渗透压差以及聚合物链上固定电荷所产生的静电斥力。为了提高水凝胶对水分的高效吸附并缩短微藻采收周期，需优化水凝胶的吸水能力和速率。

　　2.1.1 水凝胶吸水能力优化

　　水分子与凝胶聚合物接触时，会逐渐扩散到聚合物网状结构中，并以结合水、界面水和自由水等状态存在。其中自由水分布在聚合物网络中，不与聚合物相互作用，能够在凝胶网络中自由移动和扩散，因此自由水对水凝胶的溶胀性能具有重要作用。在吸水过程中，水分子渗透并充分浸润到凝胶内部，解离聚合物链上离子基团，并使其产生静电排斥，进而聚合物网络膨胀。此过程产生的渗透压差为进一步吸收水提供了强大驱动力。增加亲水基团的种类和数量

　　亲水基团的增加使得水凝胶表面与微藻悬浮液中的水分子易形成氢键或其他相互作用力，宏观表现为更易与水接触吸附，且水凝胶吸水率与其亲水性基团对水的亲和力成正比。亲水性基团主要有(-SO_{3}^{-}(-SO_{3}H))、(-COO-(-COOH))、(-CONH_{2})和(-OH)等，这些基团对水的亲和力由大到小顺序为(-SO_{3}^{-}(-SO_{3}H) > -COO-(-COOH) > -CONH_{2} > -OH)。由于单一亲水性基团亲水性不足的原因，其吸水性能往往易受外界条件限制。通过引入多种亲水基团发挥协同作用可有效缓解上述影响，如 Hu 等制备的聚丙烯酸 - 聚丙烯酰胺基甲基丙磺酸凝胶中(-SO_{3})(来自 PAMPS 链段)和(-COO-)(由 PAA 链段提供)的协同作用增强了吸水率。此外，通过引入离子型亲水基团，可以弥补非离子型亲水基团在亲水性方面的不足，提高水凝胶的吸水性能，从而更好地实现浓缩分离的目的。提高水凝胶内部离子浓度

　　增加水凝胶内部离子浓度可进一步提高其吸收微藻悬浮液中水分的能力。自由水是水凝胶溶胀性能的关键因素，其流动主要受内外相渗透压差的影响。水凝胶网络内的离子浓度越高，内外相渗透压差就越大，扩散速率加快，吸水量也随之增加。当吸水达到饱和状态时，内外溶液达到平衡。因此，水凝胶内部离子的增多可增大静电排斥力和渗透压力差，提高水凝胶吸水能力，促进微藻悬浮液的浓缩过程。Vo 等通过自由基水溶液聚合法合成木薯淀粉接枝聚(丙烯酸 - 2 - 丙烯酰胺基 - 2 - 甲基丙磺酸)/ 聚磷酸铵(TS-g-AA-AMPS/APP)高吸水性水凝胶。2 - 丙烯酰胺基 - 2 - 甲基丙磺酸(AMPS)单体提供了亲水基团，增加与水分子之间的相互作用从而提高对水的吸附能力，其中 AMPS 中的(-SO_{3}H)具有较高的离子化常数，比丙烯酸(AA)中(-COOH)更易离子化，因此 AMPS 表现出更优异的耐盐性能。在含盐水溶液中，AMPS 具有更强的离子化能力，进而增强聚合物对盐水的吸收能力。此外，离子浓度的增加还可以改善水凝胶的弹性收缩能力，延缓多次使用后产生的弹性变形损伤。改变水凝胶形态结构

　　亲水基团和网络结构是水凝胶聚合物结构的重要组成部分，其中亲水基团可以解离以诱导水合作用，而交联网络的存在则促使被吸附的水分子紧密地结合在聚合物上。如果没有形成交联网络，聚合物将显示水溶性，无吸水效果，所以网络结构是聚合物可以大量吸水的结构性因素。Yoshinobu 等通过将纤维素研磨到部分水解的聚丙烯酰胺(PAM)水凝胶上来制备具有蜂窝结构的超级吸水凝胶(SAH)，其溶胀比高达一定数值。Hu 等以氢氧化钙((Ca(OH){2}))纳米粒子为交联剂设计了聚丙烯酸 - 聚(2 - 丙烯酰胺基 - 2 - 甲基丙磺酸)(PAMPS)聚合物水凝胶。AA/PAMPS/CNS 水凝胶具有独特的绒毛结构，相较于传统的多孔或网状结构，能够显著增加水凝胶的比表面积和活性位点密度，使其与水分子充分接触，从而大幅提升吸水能力。

　　2.1.2 水凝胶吸水速率优化

　　为了高效采集微藻并缩短采收周期，优化水凝胶吸水速率是必要的。通过对水凝胶表面进行改性，可增大其比表面积，从而有效提高水凝胶吸水速率。因此，调整凝胶孔隙结构可有效提升其吸水速率。在保证网络结构稳定的前提下，向水凝胶中引入多孔结构，增加孔隙数量并相互连接形成毛细通道，使凝胶能够快速达到溶胀平衡，从而提高吸水速率。制备多孔水凝胶的方法包括相分离技术、冷冻干燥法、引入致孔剂、模板法、发泡技术以及 3D 打印技术等。相分离技术相分离技术是通过调整温度或添加额外组分来诱导多组元体系不溶性，从而制备多孔聚合物。Chen 等利用相分离技术制备了多孔高吸水性聚合物(PSAP)珠，该 PSAP 珠是具有微米级孔径的多孔高吸水凝胶珠。当 PSAP 珠浸入水溶液时，水迅速填充物理孔并润湿孔表面，显著增加聚合物网络与水分子之间的接触面积，从而提高吸水率。然而，不同孔径大小的 PSAP 珠对微藻的采收效果也有所不同。因孔径不同，孔道内部与水分子的接触面积不同，故水分子在孔道中的渗透和扩散能力也不同。

　　相同数量的孔隙结构中，较小孔径中水分子扩散速度慢，吸水速率慢;相反，较大的孔径可以加快水分子渗透和扩散到孔道内部，从而提高吸水速率。但孔径过大，则可能导致微藻细胞进入水凝胶内部，堵塞水分进入的通道，因此要调控合适的孔隙大小和孔隙分布，以提高吸水能力和微藻采收效率。一般而言，相分离方法采用非溶剂诱导相分离(NIPS)方式，主要用于膜材料的生产。由于水凝胶具有 3D 网络结构，通过相分离诱导其产生孔隙的过程比较复杂，可以采取以下改进策略：一是对合成的水凝胶进行非溶剂脱水，Kabiri 等使用甲醇或丙酮从溶胀的水凝胶中除去水以形成孔隙结构;二是聚合诱导的相分离，Okay 通过增加交联度和相对分子质量，从而触发聚合物在水相中的不溶性，聚合相的微凝胶得以形成并聚集分离;三是相分离聚合物溶液的交联，如采用生物聚合物溶液的 NIPS 工艺与二胺交联后，可选择性去除相分离的聚合物共混物或嵌段共聚物中的牺牲相。但相分离方法制备多孔凝胶的应用范围受限，无法满足所有多孔水凝胶的制备需求。此外，通过相分离方法制备多孔结构，需要进一步评估如何控制孔隙率、孔径和孔互连性。冷冻干燥法冷冻干燥法是制备多孔凝胶的常用方法。该方法首先将聚合物溶液迅速冷冻至冰点以下，通过热力学应力诱导相分离和聚合物聚集，随后溶剂蒸发，凝胶聚合物则形成高度互通的多孔结构。这种制备方法几乎适用于各类水凝胶材料，但其耗材成本较高且难以精确控制孔隙率。

　　引入致孔剂致孔剂能够在水凝胶形成的过程中生成气泡，从而促进水凝胶内部多孔结构形成。Kabiri 等研究了交联剂类型、浓度对水凝胶工艺和溶胀行为(在水和盐溶液中)的影响，其中交联剂用于将聚合物链连接在一起形成三维网络结构以增加水凝胶强度，而致孔剂则通过产生微小孔隙来改善吸水性能。凝胶化时间是影响孔隙形成的重要因素，而交联剂用量、引发剂作用和温度等因素则主要影响凝胶形成时间。此外，朱帅帅等的研究表明，乙醇和碳酸氢铵分别作为物理致孔剂和化学致孔剂对水凝胶性能有不同影响。实验结果显示，加入致孔剂可以使凝胶具有明显的孔结构，其中物理致孔剂的致孔过程更为温和，且形成的孔结构尺寸和分布更加均匀。然而，过多的孔隙结构将会导致水凝胶结构松散，并降低其保水能力。

　　模板法模板法通过使用模板来控制水凝胶的孔隙结构和形貌，主要步骤包括：混合模板与水凝胶前体，使前体包裹住模板;模板与前体进行交联或凝胶化反应，形成固体水凝胶;最后从水凝胶中去除模板，留下孔隙结构。模板可以是固体颗粒、液滴、气泡等，在多孔水凝胶中实现可控的孔径、形状和互连性。Sokic 等将明胶微珠掺入到有机溶剂交联的聚(乙二醇)- 二丙烯酸酯(PEGDA)中，然后通过水洗去除明胶微珠，得到 125~250μm 的孔径和高达 60% 孔隙率的材料。模板法可以利用不同模板制备出不同尺寸和形状的孔隙结构，具有可调控的孔隙、形状和连通性特点。并且模板法相对简单，不需要复杂的设备和条件。

　　然而，去除模板过程可能会对水凝胶的结构和性能产生影响;此外，采用该方法通常只能制备具有较大孔隙的水凝胶，在制备微米级以下尺寸的小孔隙方面存在一定困难。发泡技术通过发泡剂诱导水凝胶前驱体发泡，形成内部多孔结构。常见的发泡剂包括碳酸盐类化合物(如碳酸钾、二碳酸钠)或有机溶剂(如戊烷、己烷、甲醇和丙酮等)。Shang 等以丙烯酰胺为单体，甲基丙烯酸化硫酸软骨素为交联剂，碳酸氢钠((NaHCO{3}))为发泡剂，水合乙基甲基咪唑四氟硼酸盐([EMIM][BF₄])为溶剂，通过紫外线引发化学合成多孔状离子水凝胶。然而使用发泡剂成孔时难以控制孔径的均匀性，导致其使用受限。3D 打印技术

　　近年来，借助计算机和软件设计模型的辅助，3D 打印技术作为一种新兴水凝胶制备技术以逐层固化的方式构建分级多孔水凝胶。相较于其他方法，3D 打印具备精确的空间定向性，并且通过在打印材料中预先嵌入细胞，可以更准确地模拟天然组织结构。然而，许多水凝胶 3D 打印方法需要进行后处理步骤，如固化(光固化、热固化等)或交联(共价键交联、离子键交联)，以增强机械稳定性。这增加了制造过程的复杂性和时间成本。此外，某些水凝胶 3D 打印方法还需要使用紫外线(UV)光源进行固化，这可能对微藻细胞的活力产生不利影响。综上所述，调整水凝胶的孔隙结构是优化微藻采收过程的重要措施。在实际应用中，需要根据微藻的初始浓度和采收要求来选择合适的孔隙结构。

　　2.2 水凝胶机械性能优化进展

　　水凝胶经多次使用后，其机械性能逐渐下降，结构趋于松散且无法保持固定形状，从而降低其可重复利用率。吸水后水凝胶机械性能变差的原因主要有 2 个方面：一是多次吸水会导致其中含有的水溶性结构链发生水解反应，并引起水凝胶结构形态改变;二是在反复吸水过程中，内部结构链承受超过弹性极限的张力并断裂。一旦外力消失，水凝胶就无法恢复至初始状态。由于缺乏韧性和可恢复性，在反复吸水后最终导致水凝胶形状坍塌和吸水能力下降，影响微藻收获效率。因此需要优化水凝胶的机械性能以防止脆弱的凝胶结构发生断裂或变形，从而限制对水分的吸收。在合成水凝胶的过程中，交联剂在形成三维网络结构时起到至关重要的作用，并且其交联密度直接影响该结构的稳定性。随着更多交联剂和引发剂的使用，在水凝胶中跨越网络结构链条的数量也会相应增加。当吸水过程进行时，其单链所承受的平均张力将降低，并且由于弹性变形导致的损伤也会减少，从而提高了水凝胶的可恢复性能。因此，提高凝胶的机械性能可以从改变交联方式的角度进行以下几个方面考虑。

　　2.2.1 添加无机或纳米材料形成复合增强

　　水凝胶无机材料或纳米材料通常起到物理交联作用，从而使水凝胶具备高拉伸性和抗冲击性能。例如，可以通过添加蒙脱土、纳米二氧化硅和高岭土等材料制备复合增强水凝胶。Lyu 等通过将蒙脱石(MMT)和定制微凝胶悬浮液引入聚丙烯酰胺网络中，制备了高机械性能的纳米复合水凝胶。其中 MMT 与水凝胶中的聚合物链之间形成多种物理键相互作用以加强聚合物链之间的连接，从而提升水凝胶整体网络结构的稳定性和强度。Chen 等通过自由基聚合 AA 和 AM(即丙烯酸 - 丙烯酰胺共聚物)单体与自制的可控乙烯基杂化二氧化硅纳米粒子(VSNPs)作为交联剂，设计了双重可拉伸单网络。结果表明，该凝胶显著提高交联密度，同时提高了吸水率。Kabiri 等研究了黏土对高吸水凝胶性能的影响，结果显示，添加黏土有助于该复合水凝胶热稳定性的提升。Qi 等通过丙烯酸和(3 - 丙烯酰胺丙基)三甲基氯化铵的原位共聚制备了新型钾离子基水凝胶(K-SAP)。利用纳米粒子作为物理交联剂，其与聚合物链之间的螯合作用而产生牢固的网络结构，以此在水凝胶中构建高弹性框架。因此，该 K-SAP 水凝胶兼具优异的机械性能和良好的溶胀性能。此外，复合增强水凝胶通常具有良好的稳定性，可多次使用，降低微藻采收成本和物料消耗。然而，上述复合增强水凝胶制备过程相对复杂，需要合成纳米粒子并进行自由基共聚反应，从而增加了制备难度和成本，需进一步研究和开发更简化和经济的方法以降低其制备成本。

　　2.2.2 引入疏水组分以诱导疏水缔合作用

　　增韧向水凝胶中引入疏水组分，并与疏水单体在水溶液中共聚，形成非极性疏水微区，该疏水区紧密排列可以实现物理交联作用，从而构建水凝胶的三维网络结构。Jiang 等利用丙烯酰胺(AM)和辛基酚聚氧乙烯丙烯酸酯(OP-4-AC)作为疏水单体形成疏水缔合水凝胶，其中疏水域作为物理交联位点，并存在许多柔性聚丙烯酰胺链点，这种网络结构有效增强了水凝胶的拉伸力学性能。使该水凝胶具有优异的机械性能、透明度以及自我修复能力。Hou 等引入疏水聚合物来增韧水凝胶，通过熵驱动互溶作用，将半结晶的疏水聚合物链 “编织” 到亲水网络中。而原位形成的亚微米结晶物质增加了网络的刚度，疏水聚合物与亲水网络之间的纠缠使得水凝胶在失效之前能够发生大变形，这种纠缠结构能够阻止裂纹的扩展，从而提高水凝胶的韧性。该水凝胶在高膨胀下具有高刚度、高韧性和耐久性，并且其力学性能可调。

　　2.2.3 设计多种网络结构

　　优化机械性能通过构建互穿聚合物网络、双聚合物网络以及引入仿生有序结构等方法，可以显著提升水凝胶的力学性能和稳定性，进而增强微藻采收中水凝胶的再生和重复使用等功能。设计互穿聚合物网络(IPN)

　　互穿结构网络水凝胶是由 2 种或 2 种以上交联(包括化学交联和物理交联)聚合物通过相互纠缠形成的一类独特的聚合物共混物或聚合物合金，这些聚合物之间没有形成化学键，但它们通过一种紧密结合的方式相互连接。水凝胶吸水膨胀时，聚合物链的密度较低，机械强度较差。而吸水膨胀后的水凝胶的机械强度受到 2 种因素的影响：网络的交联密度和聚合物所占的体积分率。互穿结构网络凝胶中，2 种相同或不同聚合物链相互贯穿，提高了聚合物的交联密度和膨胀时聚合物所占的体积分率，从而增强了吸水膨胀后水凝胶的强度。此外，与由单一组分制备的水凝胶相比，互穿交联网络结构的 IPN 水凝胶机械性能和稳定性更高，只有整个网络结构完全断裂才能使其分解或降解。Lin 等通过化学交联制备的纤维素水凝胶在 NaOH / 脲溶剂体系中形成第一层网络，并利用原位聚合丙烯酰胺(AM)构筑第二层网络，以此制备出具有互穿结构的纤维素 - 聚丙烯酰胺复合物(C-PAM-IPN)水凝胶。实验结果显示，在 58% 压缩应变条件下，C-PAM-IPN 水凝胶表现出 5.62MPa 的压缩强度，相较于传统纤维素水凝胶提高近 18 倍。设计双聚合物网络(DN)

　　双聚合物网络是由具有很强的结构非对称性的 2 种聚合物网络形成的一种特殊聚合物互穿网络。2 种网络的结构和交联密度不同：第一层网络为刚而脆的聚合物(通常是强聚电解质)，第二层网络为软而韧的聚合物(如中性聚合物)，而且第二层网络的浓度通常是第一层网络的 20~30 倍。与互穿聚合物网络相比，DN 凝胶采用 2 种具有强烈反差性质的聚合物网络，而形成普通 IPN 凝胶并无特殊要求。因此，DN 凝胶具有非常优异的机械性能。大多数双网络水凝胶通过引入耗散机制来增加韧性，向水凝胶中引入动态相互作用，如离子键、氢键和配位键等，通过整合动态网络相互作用和有效的能量耗散机制来机械增强水凝胶。Huang 等通过离子和金属配体键的协同作用来制造强而坚韧的 PA(聚两性电解质)水凝胶，该凝胶力学性能明显增强。Du 等合成聚(丙烯酰胺 - 共聚甲基丙烯酸)[P (AAm-co-MAAc)] 水凝胶，其间氢键充当可逆黏着剂以增加模量并阻碍解缠结，赋予凝胶较大的断裂应力。Han 等利用海藻糖以共价氢键相互作用作为水凝胶的有效网络修复剂，由海藻糖改性的 PVA 水凝胶获得更好的拉伸性、高韧性、极端耐受性和自修复能力。

　　此外，水凝胶的能量耗散机制虽然为许多高强度水凝胶的开发和应用提供了思路，但耗散不能实现瞬时恢复。损伤结构的重建时间通常较长，难以实现瞬时力学性能恢复。无能量耗散结构的弹性网络可以改善水凝胶的可逆性，由 Zhu 等制备的高度缠结的双网络(HEDN)水凝胶，其中许多物理缠结作为第一个网络的有效交联，这种滑动缠结导致 HEDN 水凝胶在拉伸应变下形成高度均匀的取向结构，所制备的水凝胶显示出高拉伸强度、高韧性和应变硬化特性。此外，施加到水凝胶上的外部能量没有耗散，而是作为熵损失存储在高度取向的分子链中，这赋予水凝胶低滞后的特点。因此，通过高度缠结的网络结构可以实现水凝胶的高韧性和低滞后。引入仿生有序结构

　　水凝胶的力学性能还取决于自身结构，传统水凝胶的增强组分通常是随机杂乱地分布在聚合物基质中，但这样的凝胶结构缺乏有序性。为增强水凝胶的机械性能，可采用各种结构、构建方法和组成材料来制备用于设计目的的仿生有序结构水凝胶，如层状结构、束状结构、梯度结构等仿生结构水凝胶。层状结构是由软质材料堆叠形成的多层相。木材是植物中有序层状结构的典型例子，它是由超细纤维的高度有序排列所产生，而受木材结构的启发制备的仿生水凝胶具有高拉伸性。此外，动物在其生物组织中也具有有序的层状结构。如龙虾软膜组织，由于其几丁质纤维的有序排列而具有很强的韧性和抗损伤能力，形成了多层次的有序结构。仿生层状结构促进了水凝胶在断裂过程中偏转裂纹定向扩张的能力，所以提高了水凝胶强度、韧性和抗疲劳性能。

　　束状结构是由相互吸引或相互作用的均匀质量单体形成的几何结构，如长条结构、蜂窝结构和螺旋结构。有序束状结构由大量单向排列的纤维组成，存在于人类组织和一些植物中。人体肌肉纤维纵向排列，通过 3D 方式排列形成纤维束，使其具有高韧性。莲花纤维通过连接几根单丝而形成的纤维束的螺旋排列，其束状结构表面是通过单丝结合形成，有一定数量的狭缝孔，从而具有高拉伸阻力和能量耗散能力。仿生有序束状结构紧密相连，呈现出在一个方向上排列且方向性明确的特点。因此，束状结构的仿生有序水凝胶同样具有优异的机械性能。梯度结构是其中结构或组成表现出变化梯度的结构，而梯度变化有利于组分中局部机械性能的有效分布和匹配。在仿生成分梯度水凝胶内，内部颗粒与其他大分子物质相比表现出更大的柔性，这种性质是通过实现更快的移动变形来促进能量耗散，以增强水凝胶的机械强度。Yin 等通过在水凝胶内以梯度结构分布聚丙烯酰胺和二氧化硅颗粒，制备了竹子仿生颗粒密度梯度水凝胶。

　　掺入的二氧化硅颗粒起到物理交联剂的作用，有效耗散了外部载荷的机械能，并表现出优异的机械强度和弯曲能力。综上所述，通过合理设计和制备具有良好吸水性能、快速吸水同时具有优异机械性能的水凝胶材料：如调整水凝胶内部组分、改变其形态结构和使用致孔的方法对其表面改性，增加材料比表面积等措施提高吸水性;使用无机 / 纳米材料或引入疏水组分形成物理交联等方式，设计多种网络结构以提高吸水膨胀时机械性能。上述提出的水凝胶优化改性措施对微藻的大规模培养和利用具有重要意义，有望促进微藻资源的高效利用和可持续发展。

　　3 水凝胶技术的应用限制和面临的挑战

　　当水凝胶用于微藻采收时，除受到其本身性质影响外，对于微藻的采收效果等影响亦是水凝胶改性时应考虑的问题。因此，水凝胶技术的发展主要面临以下挑战：外部环境因素影响水凝胶吸水性能在实际应用过程中，水凝胶易受到环境因素的影响，如 Wei 等制备的聚丙烯酸类高吸水性聚合物(PSAPs)采收微藻的效果受到温度和 pH 的影响。PSAPs 在中性或弱酸性条件下具有较好的吸水性能，过高或过低的 pH 值可能会降低 PSAPs 的吸水能力。较高的温度可以加快吸水速率，缩短吸水时间，但同时也会降低吸水量。较低的温度则相反，吸水速率较慢，但吸水量较大。因此，可通过实验改变不同的水凝胶合成条件，进而确定 PSAPs 的最佳吸水效果，并在实际应用中通过增设调节池等方式预先将水温和 pH 维持在适配范围内。

　　水凝胶材料的环境友好性尚未探明若水凝胶在制备过程中使用有毒的溶剂或交联剂，可能会具有生物毒性，对微藻细胞产生不利影响。目前用于微藻采收使用的水凝胶主要是由化学交联剂合成的聚丙烯酸类水凝胶，生物可降解性较差，会对环境造成污染，另一方面化学交联剂的使用可能会对微藻活性产生抑制作用，从而需要探究是否可以通过引入可生物降解组分或者新型可生物降解的水凝胶材料，以减少对环境的污染。同时，研究是否能够采用完全物理交联或者物理 - 化学杂化交联的方法制备水凝胶，以获得良好的生物相容性。水凝胶溶胀性能与机械性能难以兼顾提高水凝胶材料的溶胀率需要具备较多孔隙结构或较大的内部空间。然而，若聚丙烯酸类水凝胶作为轻度交联的高分子化合物，较多孔隙结构或轻度交联使得整体水凝胶材料的密实程度和机械强度降低。

　　而且在解吸之后，水凝胶释放出水分，恢复到其初始状态较为困难，可重复利用性不佳，影响后续吸水能力。提高水凝胶材料的机械性能，使得水凝胶网络结构更加紧密和坚固，从而导致水分子难以渗透进入凝胶内部。因此，机械性能的提高会降低水凝胶的吸水性能。如 Jiang 等以超支化聚己内酯(PCL)为大分子交联剂制备的离子水凝胶，具备良好的机械性能和韧性。但由于该水凝胶具有紧密的拓扑结构，不利于吸水。在设计水凝胶材料时，需考虑调控孔隙结构的数量和交联程度，在机械性能与溶胀性能之间找到平衡点，需要进一步调整优化水凝胶的化学组成、交联程度、网络结构等，以获得高溶胀性和重复利用性。微藻种群性质变化对收获效果的影响仍有待研究

　　不同种类的微藻具有不同的细胞特性和生长环境要求。水凝胶的采收效果可能因微藻种类的不同而有所差异，因此，在应用水凝胶进行微藻采收时，需要对不同种类的微藻进行适应性研究和优化。此外，水凝胶的采收效果可能受到微藻浓度的影响，在低浓度的微藻悬浮液中，水凝胶可以高效地采收微藻。然而，在高浓度的微藻悬浮液中，微藻细胞的聚集可能致水凝胶采收效果降低。微藻培养基成分对水凝胶造成潜在污染

　　微藻培养基的成分复杂(如生活污水、畜禽废水养藻等)，可能会对水凝胶污染。其中营养物质，包括有机物、氮源和磷源等，可能被水凝胶吸附或吸收，导致水凝胶中的营养物质浓度增加，从而影响水凝胶的性能和应用;其次是微生物，如细菌和真菌等，在微藻培养基中存在，并可能附着在水凝胶表面或渗透到内部，导致污染并引起微生物的生长和繁殖;一些溶解物质(如有机酸和无机盐等)，在微藻培养基中溶解到水凝胶中会改变化学环境，影响水凝胶的性能和稳定性。因此，在使用水凝胶进行微藻采收时需要注意选择合适的材料和处理方法，以避免污染发生。

　　4 展望与总结

　　4.1 展望

　　在推动水凝胶技术应用的过程中，引入措施或其他辅助装置可能是加快水凝胶技术应用的有效方式：通过改变不同的合成条件，例如合成时的 pH 值、交联剂等，或者添加具有良好生物相容性的亲水物质进行结合的方式，有望提高水凝胶的机械强度、溶胀效果以及生物相容性等，从而提升水凝胶材料的应用广泛性与适配性。若批量对微藻进行采收，可与离心过滤装置联合使用，以提高收获效率，部分降低装置整体能耗。水凝胶材料的开发与利用仍有较大发展空间，水凝胶采收微藻技术仍处于发展阶段，需要进一步改进和优化。未来的研究可以探索新材料及其制备技术，以提高吸水性能，增加水凝胶的重复使用次数，并获得良好的经济效益。水凝胶还可用于微藻的分离纯化过程。通过调整水凝胶的吸附性能和选择性，可以实现对不同种类的微藻进行有效分离和纯化。水凝胶的再生需要蒸发干燥，这仍然是一个耗时和耗能的过程。可以开发功能性刺激响应(如光、温度、pH 等)的水凝胶，用于智能控制水的释放，根据外部刺激显著改变其吸水能力，从而实现对水凝胶吸收的水的释放和收集，以供微藻培养使用，并实现水凝胶的有效再生。

　　4.2 总结

　　本文综述了当前微藻采收技术的瓶颈，并探讨水凝胶技术采收微藻的机制及其相应的优化策略，主要包括水凝胶的吸水性能和机械性能方面的优化。此外，对于水凝胶技术在微藻采收领域的发展与应用潜力和面临挑战进行了深入研究和全面总结。水凝胶技术可快速有效地浓缩微藻悬浮液，以实现高效采收，为传统微藻采收过程提供了一种可行的替代方案。未来该领域的研究方向包括：优化水凝胶的设计和制备、提升微藻采收效率以及水凝胶的再生和重复使用等。水凝胶技术具有广泛的应用前景，有望推动微藻能源和废水处理等领域的进一步发展。

钟 俏,陈生龙,唐聪聪,西安建筑科技大学环境与市政工程学院,202406