水凝胶的应用和研究进展.doc

。 水凝胶的应用和研究进展摘要：水凝胶是一类具有广泛应用前景的高分子材料，本文主要叙述了水凝胶在生物医学、记忆元件开关、生物酶的固定、农业中的保水抗旱等领域的应用及研究进展，简要介绍了水凝胶在国内外研究状况，最后对其发展趋势作了展望。关键词：高分子材料；水凝胶；应用；进展 前言水凝胶可定义为在水中能够溶胀并保持大量水分而又不能溶解的交联聚合物。分子能够在水凝胶中扩散。水凝胶的网络结构如图1所示。水凝胶具有良好的生物相容性,它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。水凝胶的这一特点使它在生物医学领域、记忆元件开关、生物酶的固定、农业中的保水抗旱等方面有广泛的应用前景1。 图一，水凝胶的三维网络结构和扫描电镜图片水凝胶有各种分类方法,根据水凝胶网络键合的不同,可分为物理凝胶和化学凝胶。物理凝胶是通过物理作用力如静电作用、氢键、链的缠绕等形成的,这种凝胶是非永久性的,通过加热凝胶可转变为溶液,所以也被称为假凝胶或热可逆凝胶。许多天然高分子在常温下呈稳定的凝胶态,如k2型角叉菜胶、琼脂等2;在合成聚合物中,聚乙烯醇(PVA)是一典型的例子,经过冰和融化处理,可得到在60以下稳定的水凝胶3。化学凝胶是由化学键交联形成的三维网络聚合物,是永久性的,又称为真凝胶。根据水凝胶大小形状的不同,有宏观凝胶与微观凝胶(微球)之分,根据形状的不同宏观凝胶又可分为柱状、多孔海绵状、纤维状、膜状、球状等,目前制备的微球有微米级及纳米级之分。 根据水凝胶对外界刺激的响应情况可分为传统的水凝胶和环境敏感的水凝胶两大类。传统的水凝胶对环境的变化如温度或pH等的变化不敏感,而环境敏感的水凝胶4,5是指自身能感知外界环境(如温度、pH、光、电、压力等)微小的变化或刺激,并能产生相应的物理结构和化学性质变化甚至突变的一类高分子凝胶。此类凝胶的突出特点是在对环境的响应过程中其溶胀行为有显著的变化,利用这种刺激响应特性可将其用做传感器、控释开关等,这是1985年以来研究者最感兴趣的课题之一。根据合成材料的不同,水凝胶又分为合成高分子水凝胶和天然高分子水凝胶。天然高分子由于具有更好的生物相容性、对环境的敏感性以及丰富的来源、低廉的价格,因而正在引起越来越多学者的重视。但是天然高分子材料稳定性较差,易降解,近几年不少学者开始了天然高分子与合成高分子共混合成水凝胶的研究工作6,7,这将是今后的一大重要课题。1 聚合物交联 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,如在PVA水溶液中加入戊二醛可发生醇醛缩合反应从而使PVA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9,如PVA、polyNI2PAAm、聚乙烯基吡咯烷酮(PVP)、聚丙烯酸(PAAc)、聚丙烯酰胺(PAAm)、聚氧乙烯(PEO)、聚甲基丙烯酸羟乙酯(PHEMA)等。采用辐射法合成水凝胶无须添加引发剂,产物更纯净。 2 水凝胶的性质研究2.1 溶胀-收缩行为 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。2.2 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。研究水凝胶力学性能16必须很好地掌握橡胶弹性及粘弹性理论,橡胶弹性及粘弹性理论基于链的取向和结构的回复与时间的关系,前者不依赖于时间,而后者与时间有关。通过使用描述力学行为的理论,能够分析聚合物的结构,测定交联链间的有效分子量以及阐明弹性活动链交联成环的数目,有时候也必须使用理论外推力学性能以确定所选用的材料。通常测定水凝胶的力学性能包括拉力试验(橡胶弹性行为)和动态力学分析(粘弹行为)。在大多数同轴拉伸试验中,样品在适当的模具中切成哑铃状,然后放在两个夹具之间,在不同的载荷和速率下反向拉伸,Peppas等11详细讨论了典型样品的尺寸及实验方法。柱状水凝胶的强度用压缩强度表征,相当直径的水凝胶被切成等长度的样品,在不同压力及速率下压缩,则可得到凝胶的压缩强度7,12。3 水凝胶的应用 3.1 创伤敷料 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。 3.2 药物释放载体3.3在保水抗旱上的应用 近年来，全世界大力开发能将最低药物量长时间地维持在患部的药物传送系统(DDS)。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。Miyata等 7 制备了抗原-抗体敏感性水凝胶，该凝胶的溶胀行为可响应自由兔抗原rabbit IgG浓度的变化，且该凝胶具有专一的抗原识别性，只响应兔抗原的浓度变化，对羊抗原无响应Halliday等8以PEO、二异氰酸酯及小分子多元醇为原料合成了用于口腔给药的聚氨酯水凝胶载体，在含药物成分的溶液中形成自粘性载药凝胶，可以直接粘附于口腔溃疡面等患处给药。Lee Doo-Hyun等9研制了具有两性分子结构的用于药物载体的PU水凝胶，先将异佛尔酮二异氰酸酯(IPDI)与二羟甲基丙酸(DMPA)反应生成预聚物，然后与聚丁二醇(PBG)进行扩链反应，再与甲基丙烯酸二羟乙酯(HEMA)反应，引入可反应的乙烯基基团，希望载人的药物如核黄素或消炎痛等溶解于所得的离聚物水溶液中，得到载药水凝胶。 3.3在保水抗旱上的应用 保水抗旱水凝胶作为一种高效抗旱保水剂能在较短时间内吸收超越自身重量几百甚至上千倍的水，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，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。农业保水抗旱水凝胶主要用途为：用作农用土壤保水剂，可节约水资源，减少灌溉；用作农膜防雾剂，可提高透光率；用作种子涂覆剂，可提高出芽率；吸收农药、化肥后，具有控释放作用，能提高药效；用作苗木移载，可提高成活率，适用于远距离输送树苗；此项目成功开发建设将大大促进农业发展。4 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。 4.1 pH敏感性水凝胶pH敏感性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，PAA和PEO形成半IPN，不同的水溶性和分配性质的模型药物(包括水杨酰胺、烟酰胺、可乐定和泼尼松龙等)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。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。 4.2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。如在NIPAAm中加入疏水性的BMA可以增加凝胶的机械强度，用这种水凝胶使吲哚美辛在低温时释药，高温时停止释药。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。 4.3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。 4.4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。此外，目前有关智能型高分子凝胶的理论还很不完善，凝胶溶胀的理论模型的研究尚处于发展阶段，如能在理论方面取得突破，将对这一领域的发展带来重大指导意义。总之，高分子水凝胶材料的合成与应用研究还有许多技术难题尚待解决，相信随着对其研究的进一步深入，技术难题会很快得到突破。 参考文献1Knuth Ketal.亲水凝胶控释给药系统J.国外医学药学分册， 1994， 21(5):297-300.2山西省化工研究所编.聚氨酯弹性体手册M.北京:化学工业出版社， 2001:106.3Rosiak J M,Ulanski P,Rzeznicki A.Hydrogelsfor biomedical purposes.Nuclear Instruments and Methods inPhysics Research B,1995,105:335-339.4Schmedlen R H，Masters K SWest J L. 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