（高分子化学与物理专业论文）含糖智能水凝胶的合成及性能.pdf

山东人学硕十毕业论文 原 创 性 声 明 本人郑重声明: 所呈交的学位论文， 是本人在导师的 指导下， 独 立进行研究所取得的 成果。除文中已经注明引用的内 容外， 本论文 不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的 科研成果。 对本文 的研究作出重要贡献的个人和集体， 均己 在文中以明 确方式标明。 本人完全意识到本声明.的法律责任 由本人承担。 论文作者签名 :日期: 关于学位论文使用授权的声明 本人完全了解山东大学有关保留、 使用学位论文的规定， 同意学 校保留或向国 家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版， 允许论 文被查阅和借阅; 本人授权山 东大学可以 将本学位论文的全部或部分 内容编入有关数据库进行检索， 可以 采用影印、 缩印或其他复制手段 保存论文和汇编本学位论文。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定 ) 论文作者签名:导师签名:日期: 山东大学硕士毕业论文 摘要 智能型水凝胶是一类对外界刺激能产生敏感响应的水凝胶。典型的外界刺激有 温度、p h 值、溶剂、盐浓度、 光、电 场、 化学 物质等。 根据其特性，智能型水凝胶也 常被称为刺激响应性水凝胶和敏感性水凝胶。目 前， 对智能型 水凝胶的 研究已 经成为 功能高分子研究 领域的 一大热点， 其中以 温敏及p h 敏感水凝胶的研究居多。由 低糖化 合物衍生的含糖聚合物水凝胶近年来在国外一直是比较热门的研究课题，但在国内对 这类含糖水凝胶的研究不多，尤其是由结构确定的含糖不饱和单体聚合而制备的水凝 胶的研究少见报道。为 此，本文设计几种结构确定的 含糖不饱 和单体，并以 其为 共聚 单 体制备了不同结 构特征的温敏及p h 敏 感水凝胶。 用d 一 葡萄 糖酸s 一 内 酷分别与4 一乙 烯基节基氯和 烯丙基 胺反应合成了结构确定的 含糖不饱和单体4 一 乙 烯节基葡萄糖酞胺 ( v b g ) 和葡萄搪烯丙基酞胺 ( a a g ) 。 用甲 基丙 烯酞氯及丙 烯酞氯与异丙 胺反应合成了n 一 异丙基甲 基丙 烯酞胺单 体 ( n i p m ) 及n 一 异丙 基丙烯酞胺单体 ( n i p a ) 。单体的结构用 i r . h - n m r 进行了表征。 以过硫酸钾 ( k p s )为引发剂，以 n , n 一 亚甲基双丙烯酞胺 ( b i s a )为交联剂， 将 v b g与丙烯酞胺( a m ) 及衣康酸( i a ) 在水溶液中发生自 由基交联共聚， 得到含糖结构 的p h 敏感三元 共聚 水凝胶。用红外光谱、 电镜 和热重分析对 干凝胶的结构和热稳定 性 进行了表征。研究了不同 i a 及 v b g 含量、 温度、 p h值及盐的浓度等因素对水凝胶的膨 胀性能的影响。结果表明水凝胶的膨胀比随着 v b g或 i a含量的增加而下降;随着温度 的升高水凝胶的膨胀比变化不大;在低 p h 值时或盐中水凝胶的膨胀比显著下降，表明 水凝胶对酸或盐有强烈的响应性。对不同组成的水凝胶的再溶胀动力学进行了研究， 表明水凝胶的再溶胀行为符合二级动力学方程。 用千凝胶制备了 药物缓释片，初步探 讨了其对阿司匹林的缓释作用，结果表明含糖水凝胶对药物具有较好的缓释作用。 以k p s / 四甲基乙二胺 ( t m e d a ) 为引发剂， b i s a 为交联剂使 n i p m ( 或 n i p m与 v b g ) 在混合溶剂一二甲 基甲酞胺 ( d m f ) / 水中的 聚合，得到热缩温敏水凝胶， 并对其性质 进行了研究。实验表明， n 工 p m - b i s a 水凝胶具有显著的热缩温敏性， 其低临界溶解温度 ( l c s t ) 在 3 3 附近。在n 工 p m - b i s a 体系中 引入含糖单体一4 一 乙 烯基节基葡萄糖酞胺 ( v b g ) , 形成的共聚水凝胶， 其膨胀比明显减小， l c s t 有所降低，在3 0 0 c 附 近。 p h 值 的变化对水凝胶的膨胀比影响不大，表明水凝胶具有 良 好的耐酸碱性;在盐水中水凝 山东大学硕士毕业论文 胶的膨胀比显著下降。 用n 工 p m ( 感n i p a ) 与从 g 共聚 制 备了 另 一 种 类 型的 含 糖 结 构的 温 敏 水 凝 胶。 研 究 了不同 a a g含量、温度、p h值、盐的浓度及蛋白质存在时，对水凝胶的膨胀性能的影 响。 p o l y ( n i p m a m - c o - a a g ) 共聚水凝胶的 膨胀比随着a a g 含量的 增加而增大。 在较高 或 较 低 p h下，水凝胶的膨胀比降 低， 且含糖凝胶对 p h 变化较敏感，在接近中性溶液中 s r 最大。 在盐水中 水凝胶的膨胀比 也有所下降。 在不同浓 度的酪蛋白 溶液中，凝 胶明 显收缩，膨胀比减小，表明该凝胶与蛋白质间存在着复合作用。对溶胀凝胶在高于其 l c s t的收缩动力学进行了研究，表明在较低温度 ( 3 5 0 c)下收缩缓慢，而在较高温度 ( 5 5 0 c)下收缩迅速，在很短时间内即达到收缩平衡。 关键词:含糖水凝胶;敏感性;低临界溶解温度;药物缓释. 山东大学硕士毕业论文 s y n t h e si s a n d p r o p e r ti e s o f s u g a r - b a s e d i n t e l li g e n t h y g r o g e ls ab s t r a c t i n t e l l i g e n t h y d r o g e l i s s u c h a s o r t o f h y d r o g e l w h i c h c a n r e s p o n d t o s o l v e n t c o m p o s i t i o n , p h , e l e c t r i c f i e l d s ， s a l t a n d t e m p e r a t u r e . t h e s e i n t e l l i g e n t h y d r o g e l s a r e b e i n g u t i l i z e d f o r p o t e n t i e d a p p l i c a t i o n s i n c h e m i c a l o r m e c h a n i c a l e n g i n e e r i n g s y s t e m s s u c h a s c h e m i c a l v a l v e s , s h a p e m e m o r y , a s w e l l a s b i o m e d i c a l a p p l i c a t i o n s i n c l u d i n g a r t i f i c i a l o r g a n s a n d d r u g d e l i v e ry s y s t e m s . r e c e n t l y m o r e a tt e n t io n h a s b e e n d i r e c t e a t s u g a r - b a s e d h y d r o g e l s y n t h e s i s b e c a u s e o f t h e b i o c o m p a t i b i l i t y a n d h y d r o p h i l i c n a t u r e o f s a c c h a r i d e s . s o w e f o c u s e d o n s u g a r - b a s e d h y d r o g e l s y n t h e s i s a n d t h e i r p r o p e rt i e s i n t h i s p a p e r . t w o k i n d s o f s u g a r - b a s e d u n s a t u r a t e d mo n o m e r a s w e l l a s d i ff e r e n t s o rt s o f s u g a r - b a s e d i n t e l l i g e n t h y d r o g e l s w e r e s y n t h e s i z e d . s u g a r - b a s e d m o n o m e r 4 - v i n y l b e n z y l g l y c o s y l a m i d e ( v b g ) w a s s y n t h e s i z e d b y 4 - v i n y l b e n z y l a m i n e a n d s - g l u c o n o l a c t o n e i n d m f s o l u t i o n . t h e p h r e s p o n s i v e s u g a r - b a s e d h y d r o g e l s p o l y ( a m- c o - i a - v b g ) w e r e p r e p a r e d b y f r e e r a d i c a l c o p o l y me r i z a t i o n o f v b g w i t h a c ry l a m i d e ( a m) a n d i t a c o n i c a c i d ( i a ) u s i n g p o t a s s i u m p e r s u l f a t e ( k p s ) a s i n i t i a t o r i n th e p re s e n c e o f t h e c r o s s l in k in g r e a g e n t n ,n l- m e th y le n - b is - a c ry l a m id e ( b is ).t h e s tr u c t u re o f m o n o m e r (v b g ) a n d t h e h y d r o g e ls w e r e c o n fir m e d b y h -n m r s p e c tr u m a n d ir s p e c t r u m . t h e t h e r m a l s t a b i l i t y o f t h e x e r o g e l w a s d e t e r m i n e d b y t g a . t h e e ff e c t s o f f a c t o r s o n s w e l l i n g r a t i o ( s r ) o f t h e h y d r o g e l , s u c h a s t e m p e r a t u r e , p h a n d t h e s a l t c o n c e n t r a t i o n , w e r e s t u d i e d . t h e r e s u l t s s h o w e d t h a t t h e s r o f t h e h y d r o g e l d e c r e a s e d w i t h t h e i n c r e a s i n g o f t h e f e e d i n g r a t i o o f v b g o r i a , a n d d e c r e a s e d o b v i o u s l y a t t h e l o w e r p h o r i n t h e s a l t s o l u t i o n . t h i s . s h o w e d t h a t t h e h y d r p g e l s r e s p o n d t o a c i d a n d s a l t s t r o n g l y . t h e s w e l l i n g k i n e t i c s o f t h e x e r o g e l w a s d e t e c t e d a n d t h e d a t a c o r r e s p o n d e d t o a s e c o n d - o r d e r k in e tic s .t h e b e h a v i o r o f d r u g d e li v e ry fr o m x e ro g e ls m a tr ic e s w a s e x a m in e d a n d t h e e x p e r i m e n t a l d a t a i n d i c a t e d t h a t t h e r a t e o f d r u g d e l i v e ry d e c r e a s e d. n - i s o p r o p y l m e t h a c ry l a m i d e m o n o m e r ( n i p m ) w a s s y n t h e s i z e d b y m e t h y l a c ry l o y l c h l o r i d e a n d i s o p r o p y l a m i n e . t h e p o l y m e r i z a t i o n o f ni p m i n t h e s o l u t i o n o f d mf / h 2 0 i n 山东人学硕士毕业论文 th e p r e s e n c e o f t h e c r o s s l in k in g r e a g e n t n ,n l- m e th y le n -b is -a c ry la m i d e ( b i s ) a s w e ll a s th e p r o p e r t i e s , o f t h e h y d r o g e l s f o r me d we r e s t u d i e d . t h e r e s u l t s s h o w e d t h a t t h e h y d r o g e l f r o m n ip m - b i s p o s s e s s e s s tr ik in g th e r m o s e n s it iv e p r o p e rt ie s . i八 lo w c r itic a l s o lu tio n t e m p e r a t u r e ( l c s t ) i s a t a b o u t 3 3 0c. wh e n t h e s u g a r - b a s e d m o n o me r v b g w a s i n t r o d u c e d i n t h e s y s t e m o f n i p m - b i s , t h e s w e l l i n g r a t i o ( s r ) o f t h e h y d r o g e l s f o r m e d d e c r e a s e d o b v io u s ly . ils l c s t is a t a b o u t 3 0 0c . t h e e ff e c t o f p h o n s r is n o t o b v io u s . t h e s r o f b y d r o g e l s d e c r e a s e d o b v i o u s l y i n t h e s a l t s o l u t i o n s u g a r - b a s e d m o n o me r g l y c o s y l a l l y l a mid e ( a a g ) w a s s y n t h e s i z e d b y a l l y l a m i n e a n d 8 -g lu c o n o la c to n e in d m f s o lu tio n . t h e st r u c tu r e o f a a g w a s d e te r m in e d b y h -n m r s p e c t r u m . t h e o t h e r t w o k i n d o f s u g a r - b a s e d t h e r m o s e n s i t i v e h y d r o g e l s w e r e p r e p a r e d b y fr e e r a d i c a l c o p o l y m e r i z a t i o n o f a a g w i t h n i p m o r n i p a . t h e s w e l l i n g r a t i o ( s r ) o f t h e h y d r o g e l s i n c r e a s e d o b v i o u s l y w i t h t h e i n c r e a s i n g o f c o n t e n t o f a a g. t h e e ff e c t s o f f a c t o r s o n s r o f t h e h y d r o g e l s , s u c h a s t e m p e r a t u r e , p h , a n d t h e s a l t a s w e l l a s p r o t e in c o n c e n t r a t i o n e t c . w e r e s t u d i e d . t h e s r o f h y d r o g e l s d e c r e a s e d o b v i o u s l y w i t h i n c r e a s i n g t h e t e m p e r a t u r e , p r e s e n t i n g n o t a b l e h e a t - c o n t r a c t i n g t h e r m o s e n s it i v i t y . t h e s r o f g e l s d e c r e a s e d i n a c i d， b ase o r i n s a l t a q u e o u s s o l u t i o n . t h e i n t e r a c t i o n o f s u g a r - b a s e d h y d r o g e l s w i t h p r o t e i n w a s s t u d i e d . t h e r e s u l t s s h o w e d t h a t t h e y c o u l d f o r m c o m p l e x i n a q u e o u s s o l u t i o n . t h e n a t u r a l d e c o m p o s i t i o n a n d c o n t r a c t i n g d y n a mi c s o f s w e l l i n g h y d r o g e l s i n 3 5 0c , 4 5 0c , 5 5 wa t e r we r e a l s o s t u d i e d . k e y wo r d s : s u g a r - b a s e d h y d r o g e l ; b i o c o m p a t i b i l i t y ; p h r e s p o n s i v e t h e r m o s e n s i t i v i t y ; l o w c r it i c a l s o l u t i o n t e m p e r a t u r e ( l c s t ) ; d r u g d e l i v e ry 山东大学硕士毕业论文 第一章绪论 1 . 1 研究现状 水凝胶是由 三维网 络结构 ( 交联结构)的高 聚物和水组成的，网络可以吸收大 量的水而溶胀， 并保持水分而又不溶解 。 “ 智能”水凝 胶是其结构、物理性质、化学 性质可以 随外界 环境改 变而变化的 水凝胶， 对于 环境的物理化学刺激，如 温度、介质 的p h 值、盐 浓度、 离子强 度、电 场、磁 场、 光、 压力等， 能够感知、处理， 并可作功 来响应外界环境刺激。 它们这种对环境刺激的可 逆响应性使之作为新型功能材料成为 当今功能高分子材料研究的热点之一。 由于智能型水凝胶在药物的控制释放、酶和细胞的智能固定化、物料萃取、细胞 培养、记忆元件开关、化学转换器、传感器等高新技术领域诱人的应用前景，近年来， 这方面的 研究一直非常活跃，但主要侧重理论研究，应用研究 还有待进一步开发、 完 善。 近年来， 含糖水凝胶的研究在国外受到了 较大的关注，因为糖基的存在不仅可以 改菩凝胶的亲水性和生物相溶性及生物降解性， 更重要的是可赋予凝胶某些特殊功能， 如可作为一种新的细胞生长介质、用于手性识别、信号传感等。国内近几年对含糖聚 合 物的 研究也引 起了重视，但对含糖水凝胶的研究还少见报道。 1 . 1 . 1 智能水凝胶的主要特性 “ 智能” 水 凝胶的显著 特点是:当受 到环境刺激时 其结构和体积会随 之响应，主 要表现在其体积发生突变， 呈现体积相转变 ( v o l u m e p h a s e t r a n s i t i o n)行为( 溶胀 相q 收缩相) ，即当 凝胶受到外界刺激时 凝胶网络内的链段有较大的构象变化，呈 现 溶胀相或收缩相，因此凝胶系统发生 相应的形变;一旦外界刺激消失时， 凝胶系统有 自 动恢复到内能 较低的稳定状态的 趋势。 凝胶这种可与外界交换能量和信息并作出响 应的特性，类似于开放的 生物系 统g 1 刺激响应水凝胶的缺点是其力学强度差，特别是当吸收大量水溶胀时，施以较小 的应力即损坏。另外，大多数刺激响应水凝胶的响应时间太长。因而，围绕凝胶材料 性能的改善仍有大量工作要做。 1 . 1 . 2 智能水凝胶的主要类型 山东大学硕士毕业论文 第一章绪论 1 . 1 研究现状 水凝胶是由 三维网 络结构 ( 交联结构)的高 聚物和水组成的，网络可以吸收大 量的水而溶胀， 并保持水分而又不溶解 。 “ 智能”水凝 胶是其结构、物理性质、化学 性质可以 随外界 环境改 变而变化的 水凝胶， 对于 环境的物理化学刺激，如 温度、介质 的p h 值、盐 浓度、 离子强 度、电 场、磁 场、 光、 压力等， 能够感知、处理， 并可作功 来响应外界环境刺激。 它们这种对环境刺激的可 逆响应性使之作为新型功能材料成为 当今功能高分子材料研究的热点之一。 由于智能型水凝胶在药物的控制释放、酶和细胞的智能固定化、物料萃取、细胞 培养、记忆元件开关、化学转换器、传感器等高新技术领域诱人的应用前景，近年来， 这方面的 研究一直非常活跃，但主要侧重理论研究，应用研究 还有待进一步开发、 完 善。 近年来， 含糖水凝胶的研究在国外受到了 较大的关注，因为糖基的存在不仅可以 改菩凝胶的亲水性和生物相溶性及生物降解性， 更重要的是可赋予凝胶某些特殊功能， 如可作为一种新的细胞生长介质、用于手性识别、信号传感等。国内近几年对含糖聚 合 物的 研究也引 起了重视，但对含糖水凝胶的研究还少见报道。 1 . 1 . 1 智能水凝胶的主要特性 “ 智能” 水 凝胶的显著 特点是:当受 到环境刺激时 其结构和体积会随 之响应，主 要表现在其体积发生突变， 呈现体积相转变 ( v o l u m e p h a s e t r a n s i t i o n)行为( 溶胀 相q 收缩相) ，即当 凝胶受到外界刺激时 凝胶网络内的链段有较大的构象变化，呈 现 溶胀相或收缩相，因此凝胶系统发生 相应的形变;一旦外界刺激消失时， 凝胶系统有 自 动恢复到内能 较低的稳定状态的 趋势。 凝胶这种可与外界交换能量和信息并作出响 应的特性，类似于开放的 生物系 统g 1 刺激响应水凝胶的缺点是其力学强度差，特别是当吸收大量水溶胀时，施以较小 的应力即损坏。另外，大多数刺激响应水凝胶的响应时间太长。因而，围绕凝胶材料 性能的改善仍有大量工作要做。 1 . 1 . 2 智能水凝胶的主要类型 山东大学硕士毕业论文 1 : 1 . 2 . 1 从来源分， 智能水凝胶可分为人工合成和天然水凝胶两大 类。 1 ， 合成水凝胶 合成凝胶是指以低分子化合物为单体，在适当交联剂作用下，经某种聚合反应聚 合而成的交联网状高聚物。常见有:1 )聚异丙基丙烯酞胺类，该类水凝胶具有很好的 温敏性，是所有水凝胶中研究最多的一类。大量研究用于智能给药系统，还可用于化 工分离及生物工程等领域。2 ) 聚乙 烯基毗咯烷酮 ( p v p ) 水凝胶。 该类水凝胶具有优 良 的生理惰性、 生物相溶性和良 好的 综合性能，在医药卫生及生物医学工程材料领域 有重要的 用途2 ， 还可应于化妆品、表 面活性剂、 造纸、 玻璃工业、 食品等领域 7 。 近 年来，p v p作为烧伤涂敷凝胶材料的 一种主要成分获得了更为 广泛的 应用 0 3 ) 聚丙 烯酸 及 聚 丙 烯酸 p a 类 。 该 类水 凝 胶 具 有 较 好的p h 敏 感 性 ， 在 生 物医 学 和 药 学 领域 ， 如 生物传感器、 超吸水性树脂和药物传递体系等方面有着广泛的应用 , e 4 ) 聚乙 烯醇 、 q v a ) 水凝 胶。p v a水凝胶具有优良 的润滑、 减震、 耐磨及良 好的 生物相溶性， 具有 类似于天然软骨的多微孔组织，内 含大量的水，是一种可渗透材料。 可作为人工关节 软骨材料和性能 优良的 人工髓核 材料6 合成水凝胶的单体很多，大致分为中性、酸性、碱性 3种。水凝胶可以由一种或 多 种单体采用电 离辐射、紫外照射或化学引发聚合并交 联而得, ; 。一般来it 在形成水 凝胶过程中需要加入少量的交联剂。现今人们所合成的最广泛的水凝胶是丙烯酸或丙 烯酸胺衍生物的均聚物或共聚物，其中异丙基丙烯酞胺水凝胶由 于具有显著的敏感性 而 倍受关注 田 . 2天然水凝胶 天然水凝胶主要有纤维素改性物及甲壳素衍生物。与合成水凝胶相比，天然水凝 胶由于结构复杂等原因而研究相对 较少。 但天然水凝胶多数具有良好的生物相溶性和 生物降解性，且来源丰富、价格低廉， 用途广泛。例如，壳聚糖是一种天然高分子量碱 性多糖，由甲壳素 脱乙 酞化得到， 其资源仅次于纤维素， 应用广泛。 姚康德 等9 - 12 对壳 聚糖基智能凝胶进行了较为系统的研究、设计、制备。 纤维素改性物类凝胶主要是经烷基甲 基纤维素， 如轻丙基甲 基纤维素 ( h p m c ) ， 是 在甲基纤维素 ( m c )骨架结构上引入一定取代程度的轻丙基。该类纤维素改性物的一 个显著特性就是溶于冷水而在热水中不溶，水溶液在广泛的 p h值范围内稳定，加热到 一定程度则形成三维网络结构的凝胶析出，即在特定温度下发生相分离，冷却时凝胶 山东大学硕士毕业论文 消失恢复溶液状态。h p m c广泛用于口服骨架控释和缓释制剂，作为释放阻滞材料调节 药 物的释放。 ， ， ， 1 . 1 . 2 . 2根据高分子凝胶受刺激信号的 不同，智能水凝胶可分为多种类型的刺激响 应性水凝胶。 1 温敏性水凝胶 温敏性水凝胶是智能水凝胶中最常见的一类。其中，聚 n 一异丙基丙烯酞胺 o n 工 p a m ) 类水凝胶是得到关注最多的 温敏性水凝胶。温敏水凝胶溶胀与收缩强烈地 依赖于温度，并且溶胀度对温度的变化并不是连续的，在某一温度下凝胶体积会发生 突变。温敏水凝胶的这种依赖于温度变化的膨胀一收缩过程是可逆的，这一特殊性质 是温敏水凝胶应用于智能给药系统控制药物释放的基 础。还可据此用于大分子 稀溶液 ， ( 如 蛋 白 质 和 多 糖) 的 浓 缩 和 分 离、 细 胞 培 养、 温 敏 开 关 等 领 域 i19 有关温敏水凝胶的制备及性能研究近年来报道很多，有非离子型、阴离子型、阳 离子 型及两 性温敏水凝胶。 例如， 孙以 实等 i ; 研究了n 一异丙基丙烯酞胺( n 工 p a m ) 分别 与丙 烯睛、甲 基丙烯酸轻丙p a 、 丙烯酞 胺、甲 基丙烯酸等的共聚水凝胶的温敏溶胀特 性，结果表明， 共聚单体的亲水性越强， 共聚物凝胶的l c s t越高。 s e n e l 用 辐射聚 合法合成了n 一 异丙基丙烯酞胺和乙 烯基毗咯烷酮的 非离子共聚凝胶，探讨了聚 合条件 对凝胶温敏性的影响。廖叶华等n 7 用甲 基丙烯酸钠与 n i p a m共聚，得到了 性能 较好的 阴离子 温敏共聚凝胶。阳离子温敏水凝 胶的研究较少， 王昌 华等 i r 曾 报道了 含有乙烯 基毗咙盐的阳离子 n i p a m温敏水凝胶的制备及其性能的研究。大分子中同时含正负离 子的水凝胶称为两性水凝胶， 对该类水 凝胶的 研究发现，改变阴、阳离子单体的量， 所引起的体积相变过程不同。 翟茂林， 哈鸿飞 19 1 报道了 对温敏性 n 一 异丙基丙 烯酸胺 ( n i p a m ) 类聚两性电解质凝胶的研究。 2 p h 值敏感水凝胶 对 p h值敏感水凝胶的 研究与 应用仅次 于温敏 水凝胶。 凝胶的 p h响应性是指其溶 胀或去溶胀是随p h 值的 变化而发生变化的。 一般来说， 这 类水凝胶网 络中含有酸性( 或 碱性)基团。水凝胶发生显著体积变化的p h 区域取决于其骨架上的基团， 若水凝胶含 弱 酸基团，它将随 州 升高膨胀比 增大; 若水凝胶含弱碱基团则 相反。 根据 p h 敏感性 基团的不同，有阴离子、阳离子和两性型三类。 d h敏感水凝胶广泛用于药物控制释放。 例如， l e e等z 9 以 轻乙 基甲 基丙烯酸甲 酷 山 东大学硕士毕业论文 和甲 基丙 烯酸合成了p h 敏感的水凝胶，并 研究了茶 碱、 茶丙醇胺和心得平盐 酸盐 在其 中 的控制 释放。 s h a h 等(2 1 研究了从聚轻乙 基甲 基丙烯酸酷一 轻基苯乙 烯共聚 物凝胶中 释 放茶碱和抗惊厥药氨甲 苯卓， 结果表明， 随 着p h 值的增加， 梭基基团离 子化程 度增大， 药物释放速度加快。 s i e g a l 等 2 2 对在不同 p h 值下从亲水性的阳离子聚胺共聚物凝胶 中 释放咖啡因的 情况进 行了研究。 徐晖等( s ) 制备了由p o l o x a m e r 的甲 基丙烯酞衍生物和 甲 基丙烯酸组成的 共聚物水凝胶，并研究了 模型药物在该水凝胶中的 扩散 特征，以 及 共聚物组成对药物扩散性质的影响。 3 盐敏水凝胶 凝胶的盐敏感性是指在外加盐的作用下，其膨胀比或吸 水性发生突变的 现象。盐 敏型凝胶在盐溶液中的溶胀行为 有两种类型:一类是凝胶脱水，膨胀比 减小;另一类 是凝胶溶胀， 膨胀比增加。 前者一 般是离子型凝胶， 盐的存 在屏蔽了 凝胶大分子链上 的 离 子基 团， 链上 离 子的 斥 力降 低 ， 导 致 整 个 凝 胶收 缩， 膨 胀比 降 低; 后 者 一 般由 甜 菜碱两性单体共聚交联而成，其在盐溶液中的溶胀行为呈现所谓的反聚电解质行为， 即 溶胀比随外加盐浓度的 增加而增加。 这类水凝胶的正、负带电 基团 位于分子链的同 一侧基上，二者可发生分子内 和分子间的 缔合作用，盐的加入可屏蔽、 破坏这 种缔合 作用，导致分子链舒展， 因 而凝胶的膨胀行为得到改善。 例如， l e e 1 3 1 等采 用反相 悬浮 聚 合法制备了丙烯酸钠( s a ) - n , n 一 二甲基( 丙烯酸氧乙 基) 按基丙磺酸( d m a p s ) 和丙 烯酸 钠( s a ) 一， n 一 二甲 基( 丙烯酸胺丙 基) 钱 基丙 磺酸( d m a a p s ) 共 聚物盐 敏水凝 胶， 并对其性 能进行了 研究。表明 只要引 入少量磺酸甜菜碱单体， 凝胶在盐溶液中的吸水性则显著 增大。 4生物分子响 应水凝 胶 该类水凝胶能对特定的生 物分子产生响应，近年来一直 受到人们的关注。 研究较 多的是葡萄糖敏感水凝胶，它对开发自动调控胰岛素释放系统有很大的潜在应用价值。 l e e等【 n 由伴刀豆球蛋白( c o n - a ) 交联含葡萄糖的聚合物制备了一种葡萄糖敏感水凝 胶， 通过调节大分子中 葡萄糖和 c o n - a的 浓度， 可以调 控水 凝胶对葡萄糖的 敏感性。 m i y a t a等 2 5 1 合成出了一 种对抗原 敏感的 凝胶， 可用于识别 特定的 抗原， 这在生 物医药 领域有较大应用价值。 5光敏性水凝胶 水凝胶的光刺激溶胀体积变化是由于光的刺激使聚合物分子链的构型发生变化， 山东大学硕士毕业论文 即其光敏性部分经光辐照转变成异构体。该 类水凝胶可通过引入发色基团得到。 具有 光可逆异构化特性的分子在光照下构 象发生变化， 如偶氮芳 环化合物在u v 照射下会发 生可逆顺反异构化反应【 2 6 1 ， 因而以 它为交联剂制得的水凝胶具有u v 敏感性。再如， 将 光致变色分子三苯甲基无色氢氧化物引入水凝胶中， 在 u v 照射下发生可逆光化学离子 化反 应 r 7 ，导致凝胶膨胀，因而具有u v 敏 感性。曾 报道的 一种含有叶绿酸铜三钠盐的 水凝胶，是一种对可见 光敏感的水凝 胶。叶 绿酸铜三钠盐吸收可见光使聚合物的温度 上升图，因此含有该物质的热敏水凝胶在可见光照射下会发生体积相转变。 6电 场敏感性水凝胶 对电 场具有敏感性的凝胶一般是电 解质凝胶，其溶 胀易受电场 ( 或电 流) 的影响。 此 类 凝 眯由 于 分 子 链 上 带 有 可 离 子 化 的 基 团 ， 在 电 场 中 会 发 生 迁 移 ， 从 而 使 凝 胶 网 络 内外离子浓度发生变化，导 致凝胶体积或形 状改变。 例如， 载胰岛素的p m m a 凝胶对胰 岛素的释放受电场开 一 关的控制，具有通断 特性n i ， 可用于药物控制释放体系， 通过控 制电 场的开 关来控制药物释放的通断。 白 渝平等 . 7 通过冰冻一 解冻循环方法制备了 物理 交联水凝胶聚乙烯醇 ( p v a ) / 聚丙烯酸( p a a ) ， 并研究了该水凝胶在直流电场作用下的弯 曲响应性质。 ? 压敏水凝胶 压敏水凝胶的收缩与溶胀是随 着压力的 变化而改变的。1 9 9 0年 l e e等人发现了 p i n p a m 凝 胶的 压力 敏 感 性。 凝 胶的 压 敏 性 与 其 温 敏 性 有 着 紧 密的 内 在 联 系. 凝 胶 之 所 以 表 现出压 敏性是因为其具有温敏性，并且其相转变温度随压力的增加而有所升高 ， 因而当 温度不 变时， 如果常压下处于收 缩态的凝 胶因为压力的 增加而使其所处温度低 于相转变温度， 凝胶将发生大幅度的 溶胀。 8 磁性响应水 凝胶 磁性响应即凝胶的溶胀行为能对外加磁场做出响应。该类凝胶由于其在外加磁场 作用下简单、快速易 行的 磁分离特性， 在细 胞分离，固定化酶，靶向药物等领域的应 用研究日 益活跃，并显 示出 较好的 应用前景洲。 丁小斌等1 7 1 采用分散聚合法，使苯乙烯 ( s o 与 n 一 异丙基丙烯酸胺 ( n i p a m )在 f e 3 0 l 磁流体存在下 于醇/ 水体系中 共聚， 合成出f e a/ p ( s t - n i p a m ) 磁性微球， 具 有快 速，简便的磁分离特性，同时还具有热敏特性，可望用于蛋白质和酶的纯化、回收以 及酶的固定化等领域。 山东大学硕十毕业论文 1 . 1 . 3智能水凝胶的主 要应用 1 . 1 . 3 . 1 在医药与生物工 程中的应用 1 医药 控制释放材料 药物控制释放是 目前国内外药剂领域的一个重要研究课题，药物载体是药物释放 体系的重要组成部分，也是影响药效的主要因素。近年来，利用水凝胶作为医药控制 释放材料，成为人们关注的研究热点之一。 用于该领域的凝胶多为温敏或p h 敏感水凝胶。 研究最多 的是丙烯酞胺类及乙 烯基 毗咯烷酮类的水凝胶。温敏水凝胶通过感应环境温度的变化来改变其膨胀一收缩状态， 从而控制药物的释放。可将凝胶作为骨架材料、控释膜、微球及胶团药物载体等应用 形式对药物进行控释a s , p h 敏感水 凝胶可 用于肠溶、胃 溶性药 物的控制释放; 利用p h 敏感聚合物聚( 二甲基胺乙基甲基丙烯酸酷) ( p d e a e m a ) 可制备葡萄糖敏感水凝胶， 用于 胰岛素的控制释放 3 7 何尚 锦等 4 合成了 温度及 p h双重敏感水凝胶一乙 烯基毗咯烷酮 一 丙烯酸共聚物与 聚乙二醇 p o l y ( n v p - a a ) / p e g 半互穿网 络水凝 胶，并利用该凝胶为 载体 对抗癌药 5 - 氟 服咭吮 ( 5 - f u )进行包埋，分别在模拟的胃液和肠液，即 s g f 和 s i f缓冲溶液中，3 7 下 进行体外释药研究。 朱雪燕等 j s 合成了 温度及p h 敏感共聚凝胶p n 工 p a - c o - a a c ， 在模拟人体体温和胃 肠 液 p h值的条件下进行了药物 ( 阿司匹林)缓释实验。 杨华等m 报道了聚 ( n 一 异丙 基丙 烯酞胺) n 一 乙 烯基毗咯烷酮水凝胶的 辐射合成 及 其药物控释性研究。该共聚水凝胶对难溶药物乙酞水杨酸具有增溶作用，且释放时间 大大增加，从而达到长效缓释的效果。 2作为组织充 填材料 医用聚丙 烯酞 胺水凝胶作为 组织 充填材料己 被广泛应用于人体各部位，它是一类 具有亲水基团能被水溶胀但不溶于水的聚合物，水凝胶中的水可使溶于其中的低分子 量物质从其间渗 透扩散， 具有膜的 特性，类 似于含大量水分的 人体组织，具有较好的 生物相溶性。另一方面，聚丙烯酞胺水凝胶为大分子物质，不吸收、不脱落、不碎裂， 在弥撒的环境下能很好保持水分，有较好的粘度，弹性和柔软度，适合人体组织结构。 史宏伟等【州 报道了 用医用聚丙烯酸胺水凝胶注射法治 疗眼睑凹陷畸形的 研究，通 过对 2 3 例眼球摘除术后眼睑凹陷病人的临床治疗，结果表明，疗效良好。 山东大学硕士毕业论文 3人工玻璃体 人眼正常的玻璃体为凝胶状，主 要成分是水，凝胶的 基质为胶原和透明质酸。 玻 璃体浑蚀和视网 膜脱落都可以 引起视力下降 甚至失明。 p v p 水凝 胶是第一个用作病变的 玻璃体替代物的 合成高聚物。 作为一种优异的 病变玻璃体替代物， p v p 水凝胶具有良 好 的生物相溶性和生 物物理光学特性，其网状支架对眼球内的新陈代谢成分具有良 好的 通透性。 另外， p v p 水凝胶具有粘弹性， 表现出良 好的内 填充作用， 可以 封闭 裂孔， 展 平视网 膜幻 。 4人工软骨 顾正秋等i n 报道了 人工软骨材料一 聚乙 烯醇水凝胶的 研制， 研究发现采用反复冷冻 及真空脱水处理方法获得的 p v a水凝胶材料， 其弹性模量和人关节软骨相近， 较有希 望 成 为 理 想 的 人 工 软 骨 材 料 。 p v a 水 凝 胶 的 高 含 水 性 及 其 特 殊 的 表 面 结 构 与 天 然 软 骨 组 织非常相似， 具有良 好的生物相容性和良 好的 摩擦学特性，同时该水凝胶具有类似于 天然软骨的多 微孔 组织，内含大量的 水，是一种可渗透材料。因 而 p v a水凝胶是一种 较有前途的人工软骨材料。 5医用敷料 为加速伤口 的愈合， 常常需要包敷， 敷料的主要类型有两种:干型，如纱布; 湿 型一 水凝胶。在湿润的环境下，伤口不会结痴，且比在干燥环境下愈合更快。p v p水凝 胶是一种类似于生命组织的高分子材料，有良好的生物相溶性，不影响生命体的代谢 过程，并且代谢产物可 通过水凝胶排出， 还可根据需要将不同 药物包埋在水凝胶内 ， 药物可缓缓持续地释放到病变区， 从而达到治愈伤口 或其它皮肤病的目的。医用水凝 胶敷料可用于皮肤创伤，皮肤溃疡 ( 褥疮、结核、霉菌、真菌感染等) 、烧伤、烫伤及 其它皮肤病周 。 理想的烧伤涂敷材料，应该具有一定的柔软性和机械强度， 具有较强的液体吸收能 力，能够透过空气， 但屏蔽细菌， 水凝胶容易吸收药物，并能释放药物，不刺激伤口 。 辐射交联或者化学 交联的p v p 能够满足上述要 求 l 。 在美国， 已 经有专利申 请( 4 0 。 在国 内， 也有学 者开展p v p 在烧伤涂敷材料方面的研究。 例如， 翟茂林， 哈鸿飞等【4 1 为了 制 备烧伤敷料材料，利用k- 型卡拉胶与 p v p 共混交联，制备 p v p水凝胶，并研究了其溶 胀行为和结构。 山东大学硕士毕业论文 6 医药崩解剂 医药片剂或者胶囊要求具有一定的强度，以免在生产和运输过程中 碎裂。而 服用 后，又要求能够迅速崩解， 才能被人体吸收。如果在医药片剂或者胶囊中 加入适量 干 的p v p 凝胶， 则在服用之后， 凝胶吸收体液中的水分而膨胀， 在药剂内造 成很大的压力， 从而使药剂迅速崩解(z 7 7 角膜接触镜材料 角膜接触镜俗称隐形眼镜，是 一种兼具视力矫正、美容、眼睛防护和医疗作用的 产品 “ u 。 最初的角膜接触镜采用。 一甲 基丙烯酸甲酷 聚合 物材料( p m m a ) 制造， 这是一 种硬性角膜接触镜， 不含水分、不 透气， 不能长时间配戴， 并且配戴时的 舒适度差。 为此， 人们开发出 软质角膜接触镜，使用a 一甲基丙烯酸6 - t s 乙 醋的 聚合物( p h e m a ) 作为制造角膜接触镜的 材料。 用这种 p