水凝胶的应用和研究进展

水凝胶的应用和研究进展水凝胶水凝胶是一类具有亲水基团，能被水溶胀但不溶于水的具有三维网络结构的聚合物。它在水中能够吸收大量的水分显著溶胀，并在显著溶胀之后能够继续保持其原有结构而不被溶解。智能水凝胶能够感知外界刺激的微小变化，如温度、pH值、离子强度、电场、磁场等，并能够对刺激发生敏感性的响应，常通过体积的溶胀或收缩来实现。水凝胶的特点水溶胀性，交联聚合物亲水性，吸水可达自身重量的数千倍三维网络结构，在水中不溶解能够感知外界微小刺激（智能性水凝胶）水凝胶的三维网络示意图和扫描电镜图片水凝胶的分类1.按照键合方式物理凝胶和化学凝胶2.按照水凝胶的形状和大小宏观凝胶（柱状、多孔海绵状、纤维状、膜状、球状等）微观凝胶（微球）3.根据合成材料的不同合成高分子水凝胶和天然高分子水凝胶从聚合物出发制备水凝胶有物理交联和化学交联两种。物理交联通过物理作用力如静电作用、离子相互作用、氢键、链的缠绕等形成。化学交联是在聚合物水溶液中添加交联剂,使聚合物交联成网络聚合物水凝胶。从聚合物出发合成水凝胶的最好方法是辐射交联法,所谓辐射交联是指辐照聚合物使主链线性分子之间通过化学键相连接。许多水溶性聚合物可通过辐射法制备水凝胶,如PVA、polyNI2PAAm、聚乙烯基吡咯烷酮(PVP)、聚丙烯酰胺(PAAm)、聚氧乙烯(PEO)等。聚合物交联水凝胶的溶胀性吸水溶胀是水凝胶的一个重要特征。在溶胀过程中,一方面水溶剂力图渗入高聚物内使其体积膨胀,另一方面由于交联聚合物体积膨胀,导致网络分子链向三维空间伸展,分子网络受到应力产生弹性收缩能而使分子网络收缩。当这两种相反的倾向相互抗衡时,达到了溶胀平衡。%100][dds水凝胶的力学性能水凝胶不仅要求具有良好的溶胀性能,而且应具有理想的力学强度,以满足实际的需要。水凝胶力学性能参数：拉伸强度（膜状水凝胶），压缩强度（柱状水凝胶）在同一水凝胶中，往往水凝胶的溶胀度和力学性能恰恰相反。水凝胶的交联度越高，结构越规准，因而力学性能往往更好，而交联度高则部利于水凝胶的溶胀。实际应用中，既要追求水凝胶的溶胀性能，又要保证应用需要一定的机械强度，要根据不同需要设定不同标准。水凝胶的应用在医药伤口敷料中的应用水凝胶在医学领域中的首要应用即为伤口敷料，水凝胶材料直接用于与人体组织接触，可防止体外微生物的感染，有效的防止体液的损失，并且能够传输氧分到伤口，一般说来能促进伤口的愈合。医用伤口敷料的合成中，通常采用抗菌性天然高分子作为单体，通过交联剂合成抗菌性水凝胶，并将消炎药物等包埋在水凝胶中，透过凝胶缓慢地释到受伤部位，加速伤口的愈合。医用水凝胶敷料可用于皮肤创伤、皮肤溃疡、烧伤，烫伤等不断降温，立即止痛吸附渗液，阻隔细菌湿性环境，促进生长生物相容，换药不粘不易成痂，减少疤痕医用创伤敷料的优点：药物释放载体由于水凝胶对低分子溶质具有较好的透过性，有良好的生物相容性和较好的重现性，可以作为将较低的药物长时间维持在患者体内的药物传输系统，当水凝胶被移植或注射到生物体后，水凝胶能够维持或向体液控制释放包埋在水凝胶中的药物，从而发挥疗效。退热贴适用于各种原因引起的发热发热辅助治疗及物理降温，缓发发热引起的头痛、头晕等不适症状，使人体产生舒适感。对于儿童和成人发热，可用于紧急退热，避免发热过度伤及脑部。水土保湿剂一种人工合成的具有超强吸水的保湿性能的高分子聚合物，主要成分为聚丙烯酸盐和聚丙烯酰胺共聚体。能吸收比自身重量高数千倍的脱离子水，数十到数百倍的含盐水分，并且能缓慢的释放出来。可以反复使用，具有优良的保水抗旱性能。控制土壤水分蒸发，促进植物根系生长发育，同时改善土壤结构，增加土壤活性。欧、美、日本、以色列等国家，早已开始大面积应用，解决农业缺水问题，确定了其抗旱保水良好效果，显示出在农业生产中的巨大作用。化妆品水凝胶面膜也叫凝水膜。顾名思义，其具有强大的凝集水分的功能，它以水为分散介质，当把凝胶贴到皮肤上时，受到体温的影响，凝胶内部的物理结构从固态变成液态，并渗透到皮肤里。因此，在以水凝胶为基地材质的面膜内注入胶原蛋白、透明质酸、熊果苷、烟酰胺等有效成分，可制成多种功能的面膜。相较于传统材质面膜，水溶性水凝胶的果冻状精华成分不易蒸发、干燥，其退热舒缓的效果对急性皮肤损伤（如过敏、长痘、擦伤）有良好效果。水凝胶的研究进展水凝胶所具有的优异性能已经并还在引起人们的广泛兴趣，使其研究与开发、生产与销售得到长期发展。然而，随着水凝胶应用领域的扩展而对其性能提出了更高要求，研制和开发性能更为优良的高分子水凝胶材料已成为目前的研究热点，其中环境敏感性高分子水凝胶材料、超强吸水高分子水凝胶材料的吸液速率、耐盐性和凝胶强度的提高则得到人们的广泛关注。pH敏感性水凝胶这类水凝胶的溶胀或去溶胀是随pH值的变化而发生变化的。一般来说，具有pH响应性的水凝胶都是通过交联而形成大分子网络，网络中含有酸性或碱性基团，随着介质pH值、离子强度改变，这些基团发生电离导致网络内大分子链段间氢键的解离，引起不连续的溶胀体积变化。pH敏感性高分子水凝胶材料在细胞分离、固定化酶、控制释放药物及靶向药物等领域的应用研究日益活跃，并显示出较好的应用前景。pH敏感性水凝胶可以被包封到胶囊或硅树脂基质中来调节药物的释放，在硅树脂基质体系中，模型药物(包括水杨酰胺、烟酰胺、可乐定等)的释放模式均与水凝胶的膨胀有关：在pH=12时，网络的膨胀率低，药物的释放有限；当pH=6.8时，网络离子化，膨胀率高，药物释放。另外，pH敏感性水凝胶还被用于制备生物传感器和渗透开关。但是pH敏感性水凝胶所固有的局限性在于其不具有生物降解性，使用后需从体内取出，在口服给药中，其非生物降解性并不成问题，但在植入给药系统或植入型生物传感器中较为严重。因此，需要开发可生物降解性的pH敏感性聚合肽类、蛋白质和聚糖类水凝胶。温度敏感性水凝胶的响应性依赖于温度的变化，能感应温度的变化而改变自身的状态或溶胀而收缩，在临界相转变温度发生体积突。根据水凝胶溶胀比受温度的影响情况，可将其分为高温收缩型水凝胶和低温收缩型水凝胶。高温收缩型水凝胶在在LCST附近随温度升高而迅速下降，反之升高。而低温收缩型水凝胶恰好相反。温敏性水凝胶聚N-异丙基丙烯酰胺(PNIPAAm)水凝胶具有温敏性特征，在低温下溶胀，在高温下收缩，其特点是存在一个温度转变区域—低临界相变温度或低临界溶解温度(LCST)，当水凝胶在低于这一温度时凝胶溶胀，超过该温度则体积迅速收缩。在NIPAAm中加入其他单体,如[甲基丙烯酸丁酯(BMA)]形成共聚物，可以调整其最低临界溶解温度，进而改善材料的一些性能。通过调整甲基丙烯酸烷基酯的长度，可以调整表面的收缩。许多研究表明，有些水凝胶的溶胀比随温度的升高而增加，反之则降低，表现为热胀性。这种特性对于水凝胶的应用，尤其在药物的控制释放领域的应用有重要意义。但是温度敏感性水凝胶NIPAAm及其衍生物的临床应用也有其本身的局限性。如合成水凝胶的单体和交联物不具有生物相容性，即可能具有毒性、致癌性、致畸性；而且NIPAAm及其衍生物不能生物降解。因此，在用于临床前，还需要进行大量的毒理学实验，并进一步开发新型生物相容性、生物可降解性水凝胶。光敏感性水凝胶光敏感性水凝胶分为紫外光敏感性水凝胶和可见光敏感性水凝胶两种，其中可见光廉价、安全、易于操纵。紫外光敏感性水凝胶可以通过含有二(4-二甲氨基)苯基甲烷氰化物的聚合物网状结构制得。三苯基甲烷无色氰化物在紫外线的照射下电离，在恒定的温度下，凝胶产生不连续性膨胀；撤去紫外光，凝胶收缩。含有光敏发色团PNIAAm水凝胶具有可见光敏感性。在光照下，发色团吸光而使局部温度上升，从而引起热敏性水凝胶PNIAAm体积收缩的相转变，温度的升高与光的强度和发色团的浓度有关。电场敏感性水凝胶目前利用电场敏感性水凝胶控制药物释放的研究尚处于起步阶段。电场敏感性水凝胶的优点在于药物释放速度可以通过调整电场强度来控制，简单方便；缺点在于对电场变化的响应慢、需要可控制的电场提供装置，而且大多数电场敏感性水凝胶需要在没有电解质的条件下发挥作用，而在生理条件下，不容易达到要求。结语水凝胶是一种迅速发展的新型功能高分子材料。对其环境敏感性行为的研究、发展和应用具有不可估量的前途。然而，大多数凝胶材料响应时间太长，力学性能有待改善等限制了其实际应用，因此围绕凝胶材料性能的改善还有大量工作要做。