【《水凝胶的应用分析概述》7400字】

水凝胶的应用研究概述目录TOC\o"1-3"\h\u19173水凝胶的应用研究概述 1234091.1药物输送 1151581.2染料和重金属离子的去除 2180141.3组织工程支架 3187971.4隐形眼镜 599461.5pH传感器 677341.6生物传感器 6324911.7脊髓再生用可注射水凝胶 9264611.8超级电容器水凝胶 10水凝胶被用于许多领域。这是由于它们的特定结构以及与不同使用条件的兼容性。由于其含水量，水凝胶的柔韧性使其可以在从工业到生物的不同条件下使用，并且用于生产它们的材料的生物相容性以及它们在生物环境中的化学行为也可能是无毒的。将其应用扩展到医学领域。1.1药物输送受控药物输送系统（DDS）用于克服特定药物配方的局限性，该系统用于以一定的速率在预定的时间段内输送药物。水凝胶的出色性能使其成为药物输送应用中的绝佳选择。由于具有多孔结构，水凝胶对不同种类的药物具有很高的渗透性，因此可以加载药物，并在适当条件下释放药物[15]。长时间释放药物（持续释放）的可能性是水凝胶在药物输送研究中获得的主要优势，这导致在较长时间内向特定位置提供高浓度的活性药物。可以采用物理（静电相互作用）和化学（共价键）策略来增强负载药物与水凝胶基质之间的结合，从而延长药物释放的持续时间。水凝胶可以储存和保护各种药物免受恶劣环境的影响，并以所需的释放动力学释放它们。可以通过局部改变pH值，温度，特定酶的存在或通过远程物理刺激来激活药物释放。1.1.1DDS中的pH敏感水凝胶由于pH值变化发生在许多特定的或病理的身体部位，因此它是DDS的重要环境参数之一。人体沿胃肠道以及某些特定区域（例如某些组织（和肿瘤区域）和亚细胞区室）的pH值都会发生变化。pH敏感的DDS中使用酸性和碱性聚合物。PAA，PMAA，聚（L-谷氨酸）和含有磺酰胺的聚合物是最常用于药物递送的酸性聚合物。碱性聚电解质的典型实例包括聚（2-（二甲基氨基）甲基丙烯酸乙酯和聚（2-（二乙基氨基）甲基丙烯酸乙酯），聚（2-乙烯基吡啶）和可生物降解的聚（β-氨基酯）。pH敏感性水凝胶也通过不同的方法用于提取和测定目的[16]。1.1.2DDS中对温度敏感的水凝胶pH敏感系统等热敏聚合物为生物医学提供了许多可能性。在许多对温度敏感的聚合物中，聚（ñ-异丙基丙烯酰胺）（PNIPAAm）和聚（N，N-二乙基丙烯酰胺）（PDEAAm）有许多应用。PDEAAm的LCST值较低（临界温度，低于该临界温度，任何成分的溶液均可以混溶），温度范围为25-32°C，接近正常人体温度。1.2染料和重金属离子的去除重金属污染通常存在于许多工业过程的废水中，并且已知会对公共卫生和生态系统造成严重威胁。从各种水资源中去除重金属离子具有重大的科学和实践意义。合成的交联聚丙烯酸酯水凝胶已用于去除水性介质中的重金属毒性[17]。然而，由于这些合成材料非常昂贵，因此大规模应用这些合成材料可能不是实际的解决方案。重金属离子造成的污染可以通过众所周知的吸附工艺去除，该工艺不仅具有设计和操作上的灵活性，而且还具有重复使用处理过的废水的优势。同样由于吸附过程的一般可逆性，通常有可能使吸附剂再生以使该过程最具成本效益。已经研究了使用水凝胶作为吸附剂来去除重金属，回收染料以及从各种废水中去除有毒成分。表面带有羧基，磺酸基，膦酸基和氮基的吸附剂有利于金属离子的吸附[18]。水凝胶被证明是极佳的染料吸附材料，具有极高的亚甲基蓝吸附量。在形成水凝胶的材料中，聚电解质在重金属离子的去除中具有特殊的意义。聚电解质在该领域的许多应用是由于其结合带相反电荷的金属离子形成络合物的能力。实际上，在微凝胶或纳米凝胶上同时具有阳离子电荷和阴离子电荷为同时去除两个不同的物种提供了其他优势。水凝胶是多用途且可行的材料，显示出在环境应用方面的潜力。壳聚糖，藻酸盐，淀粉和纤维素衍生物是基于生物聚合物的水凝胶，用于从水性介质中去除金属离子。已经表明，重金属离子的吸附机理和吸附能力受水凝胶官能团的影响。这是因为像螯合剂和离子交换，而不是简单吸附在金属离子去除。基于壳聚糖的水凝胶由于其结构中存在多个氨基（NH2）和羟基（OH），因此可用于去除重金属离子。这种适用性源于金属离子与所谓的氨基形成螯合物的趋势。但是，壳聚糖与交联剂反应后，其与吸附能力有关的碱性降低。这些官能团的化学修饰可以改善不仅吸附容量，而且脱乙酰壳多糖的物理化学性质。不同的方法被研究人员用来修改壳聚糖包括使用氨基酸酯，氧代-2-戊二酸，吡啶，乙二胺，碳二亚胺，芳族聚酰亚胺，胺官能化的磁性纳米颗粒，和甘氨酸[19]。这些研究表明，在修饰官能团后，基于壳聚糖的水凝胶的吸附能力和机械阻力均会提高。1.3组织工程支架组织工程定义为材料，工程和细胞的组合，以改善或替代生物器官。这需要找到合适的细胞类型，并在合适的条件下在合适的支架中进行培养。水凝胶是一种吸引人的支架材料，因为其结构与许多组织的细胞外基质相似，它们通常可以在相对温和的条件下进行加工，并且可以以微创的方式递送[20]。每个特定应用的适当脚手架设计和材料选择取决于几个变量，包括物理特性，质量传输特性和生物学特性，并由预期的脚手架应用和将要放置脚手架的环境来指定。例如，用于生产人造皮肤的支架的类型必须与用于人造骨的支架的类型不同，因此需要用于材料的不同结构。合成和天然来源的材料均可用于形成用于组织工程支架的水凝胶。合成水凝胶很有趣，因为它很容易控制其化学和结构，从而改变其性能。可以用来形成水凝胶的聚合合成材料的例子是聚环氧乙烷（PEO），聚（乙烯醇）（PVA）和聚（富马酸丙二酯）（PPF）[21]（图1-7）。图1-7聚环氧乙烷（PEO），聚（乙烯醇）（PVA）和聚（富马酸丙二酯）（PPF）形成水凝胶的聚合合成材料天然衍生的形成水凝胶的聚合物是在组织工程支架中使用的其他候选物，因为它们是天然的细胞外基质组分或具有与这些基质相似的性质，并且它们以有利的方式在体内相互作用。例子有藻酸盐和壳聚糖[22]（图1-8）。图1-8藻酸盐和壳聚糖在体内相互作用水凝胶在组织工程有三个目的应用，它们分别是用于输送生物活性分子的载体、可用作填充空位的试剂以及用作细胞支持并帮助其形成理想组织的3D结构。用于填充空位的试剂（空间填充剂）包括提供膨胀，防止粘附或充当生物粘合剂的脚手架。为了达到这个目的，水凝胶最基本的设计要求是能够在所需时间内保持所需的体积和结构完整性的能力。基于藻酸盐，壳聚糖和胶原蛋白的水凝胶支架具有用作一般填充剂的潜力。合成水凝胶经常用作抗粘连材料，因为如果细胞设计得不适当，细胞将缺乏对它们的粘着受体，并且蛋白质通常不容易吸收它们。聚乙二醇（PEG）已被用来防止手术后粘连。[23]脱乙酰壳多糖和壳多糖的衍生物组成的水凝胶现在用作外科手术的生物粘合剂，以密封小伤口外面空气和体液可能泄漏，从而能够提高伤口敷料有效性。支架水凝胶的另一个非常不同的应用包括将其用作媒介物，以稳定生物活性分子并将其传递至靶组织并包裹分泌细胞。另外，对靶组织必要或有益的许多因素可能对其他组织有毒。因此，在许多情况下，高度期望允许局部和特异性递送至期望的组织部位的媒介物或支架。由于水凝胶是聚合物的高度水合的3D网络，因此它们可以提供化学和机械信号，并且还为细胞粘附，增殖和分化提供了环境。因此，它们适合于细胞递送和组织发育目标。如今，水凝胶支架被用于生产各种组织，包括软骨，骨骼，肌肉，脂肪，肝脏和神经元。基于所需组织的类型，可以利用不同种类的水凝胶。例如，藻酸盐已比其他水凝胶更广泛地用于评估水凝胶支架在软骨工程中的体内潜力以及在神经移植领域作为施旺细胞基质，而胶原蛋白已用于工程大血管[24]。1.4隐形眼镜在生物应用中使用合成水凝胶的关键领域是眼科，尤其是隐形眼镜。隐形眼镜是直接放置在角膜上以改变角膜屈光力的小型光学设备。LeonardodaVinci在1508年描述了使用隐形眼镜的第一个概念。这包括将眼睛浸入一碗水中。1960年底，OttoWichterle教授开发了聚甲基丙烯酸2-羟乙酯（PHEMA）镜片；本发明代表了隐形眼镜发展和软性眼镜时代开始的最重要的一步[25]。将角膜接触镜直接放置在角膜表面会阻止大气中的氧气交换，从而干扰角膜的自然生理代谢，即低氧应激，因此，优质的角膜接触镜必须具有最大的透氧性。对角膜的机械应力产生与缺氧应力相同的问题，例如上皮细胞的有丝分裂，蛋白酶和糖苷酶的活性升高，角膜敏感性以及角膜水合和透明性的变化。为了减少这些应力，必须正确选择接触材料及其形状。在不同的生理条件下使用时，用于生产隐形眼镜的水凝胶可满足大多数要求。对于用作隐形眼镜的水凝胶材料，在使用过程中需要使其舒适。这些必需品包括水含量，良好的机械性能，对氧气的渗透性，表面的润湿性，良好的光学设施，对水解和灭菌的稳定性，具有无毒性质以及对活细胞具有足够的生物学耐受性。为了增加水凝胶的水含量并实现增强的溶胀效果，可以使用不同类型的单体。这些包括甲基丙烯酸二羟基酯，甲基丙烯酸，丙烯酰胺和许多其他单体。图1-9TRIS结构中的亚甲基表示亲水改性的位点硅酮水凝胶代表一组独立的隐形眼镜材料。碱性水凝胶的发展催生了这类产品，它们具有良好的溶胀性和对氧气的高渗透性，使其适合在镜片中使用。这些性能归因于其结构，其中疏水性有机硅与亲水性链连接，从而使所得复合材料在机械和光学上均适用。使用通常称为“TRIS”的甲硅烷氧基甲基丙烯酸酯单体可实现高透氧性。TRIS结构中的亚甲基表示亲水改性的位点（图1-9）。可以在聚合物的结构中掺入线性或支链的亲水性聚合物链以形成互穿网络，从而减少正常使用时镜片的干燥。这意味着“润湿链”仅通过物理键固定，而没有与图案化水凝胶网络的任何共价连接。1.5pH传感器响应于某些环境参数的微小变化，刺激响应性聚合物或水凝胶可显着改变其体积。阳离子型聚电解质在低pH值下会更多地溶解（溶胀），反之亦然，这是由于离子化引起的。在对pH敏感的水凝胶传感器中使用了两种类型的传感器：基于通过水凝胶溶胀和收缩进行的机械工作的传感器，以及那些观察自由溶胀凝胶的性能变化的传感器。水凝胶使换能元件变形或机械变形从而导致该元件的特殊性能发生变化或导致可检测距离发生变化的能力是基于水凝胶的机械功进行换能器操作的基础。它们被分类为光学传感器，包括反射膜片和光纤布拉格光栅传感器，以及机械传感器，包括微悬臂梁和弯曲板传感器。游离溶胀凝胶的换能器必须直接观察一种或多种水凝胶特性的变化，并且包括光学，电导和振荡换能器。光学传感器可以直接测量水凝胶光学性质的变化。一种不同的方法是基于观察特殊填充物或表面涂层，这些填充物或表面涂层由于水凝胶溶胀而发生变化或移动。振荡换能器是不断改变其谐振频率的设备。负载特性的变化导致该谐振频率的偏移。这可能伴随着信号幅度的变化。电导率传感器的基础是随着溶胀度的变化而测量水凝胶的电导率。1.6生物传感器将物理传感器和化学传感器组合在一起就可以形成生物传感器。生物传感器的功能有两种定义：可以被认为是一种可以感知和报告被研究系统的生物物理特性的设备，或者是一种可以通过转换生化数据来提供有用的分析信息的设备。在所有生物传感器中，一个共同的方面是存在生物识别部分，该部分使分析生物信息成为可能。作为涵盖各种应用领域的实用工具，生物传感器正变得越来越重要，这些应用领域包括即时检验，家庭诊断和环境监测。被称为生物元素的生物识别部分由不同的结构组成，例如酶，抗体，活细胞，或组织，但重点是它对一种分析物的特异性和对其他干扰物的零响应。将生物分子与传感器偶联的方法有多种，包括截留在膜中，物理吸附，截留在基质中或共价键[26]。水凝胶的高水含量和亲水性类似于细胞外基质的空隙填充成分，并使其具有内在的生物相容性。因此，水凝胶在生物传感器中的明显应用是传感器部件的保护和涂层功能，以防止与生物分子或细胞发生不良相互作用。水凝胶可用作生物传感元件的固定基质，并为酶和其他生物分子提供优良的环境，以保持其活性和功能结构。分析物与传感元件之间的相互作用导致响应目标组分的体积变化，并且该体积变化是基于水凝胶的传感器识别的基础（图1-10）。图1-10分析物与传感元件之间的相互作用导致响应目标组分的体积变化根据分析物的性质，使用了几种类型的传感元件，但这些元件可以分为两个不同的组：分子相互作用和生物传感器。用于感测分析物的分子相互作用包括不同的机制。其中之一是酶-底物相互作用。由于酶在与底物的反应中具有很高的特异性和效率，因此可用于精确测定所需分析物的浓度。基于水凝胶基质中酶-底物相互作用的不同传感器的例子很多，包括有机相醇，氨基酸，氨，尿素，葡萄糖，过氧化氢等的检测。图1-11在葡萄糖分子存在下水凝胶的溶胀使以受控方式释放胰岛素成为可能能够响应长期血糖升高，可在血糖水平升高并在适当的时间自动释放一定剂量的胰岛素的葡萄糖反应性水凝胶是有前途的发展，可避免频繁注射的需要，因此可提供更方便的治疗方法选择将改善亿万人民的治疗功效和生活质量。在葡萄糖分子存在下水凝胶的溶胀使以受控方式释放胰岛素成为可能。（图1-11）基于抗体-抗原的传感器是具有免疫化学反应耦合的基于亲和力的设备，是另一类分子相互作用组。这些传感器的一般工作原理基于固定在换能器上的抗体（或抗原）对抗原（或抗体）的特异性免疫化学识别，该抗原（或抗体）产生依赖于分析物浓度的信号。可以使用石英晶体微重力法（QCM），表面等离振子共振（SPR）或电化学方法来检测分析物。还有其他一些基于分子相互作用的分析物感测实例，例如核苷酸，寡核苷酸，DNA等。另一组传感元件是活体传感器。它们是水凝胶与活细胞和微生物的组合，形成了用于生物传感应用的活细胞-聚合物复合材料。微生物可以检测多种化学物质，适合进行基因改造，并且具有广泛的pH和温度范围，使其成为生物传感材料的理想选择。3D结构，高含水量和生物相容性是水凝胶的主要优势，它具有将细胞或细菌捕获在其网络内部的能力，使它们能够以高速率交换气体并滋养被捕获的细胞，并以此方式提供了使用水凝胶的可能性。生物传感器中的细胞聚合物复合材料。实例是使用ArxulaadeninivoransLS3作为用于废水中的快速测定可生物降解的污染物的浓度对Clark型氧电极的生物识别元件[27]。在生物传感器中使用水凝胶有两种不同的方法：可以将水凝胶涂在电极等传感设备的表面上，或用作3D基质或支持物来维持生物元素。在水凝胶基质中将细胞保存一定时间并进行病原体感测是该组应用的其他示例。（图1-12）图1-12水凝胶涂在电极等传感设备的表面上1.7脊髓再生用可注射水凝胶脊髓损伤（SCI）是一个复杂的再生问题，因为在损伤脐带组织后会出现多个生长抑制方面。这些损伤中有许多并没有伤及硬脑膜，而且某些轴突仍在损伤部位还活着，可以康复。在这种情况下，通过外科手术将预制的框架或DDS插入受损的脊髓中可能会导致随后的病变。该方法的一种替代方法是使用原位形成的支架。注射到受伤的脐带区域后，发生的是粘弹性水凝胶从液体形式快速转变为凝胶，并适应损伤部位的组织。脊髓组织与SCI之后形成的横切部分之间的小空间将通过体内将液态水凝胶转化为凝胶形式而被填充。现在用作支架的凝胶将消除空余空间，并通过帮助细胞渗透和促进基质形成损伤的脐带组织再生的模板。以这种方式，没有必要为每个患者单独地创建预成形支架和在损伤部位断开活组织植入预形成的支架，这会导致进一步的损害和损失的功能，将可避免。（图1-13）图1-13在受伤部位可注射水凝胶液态的可注射材料可以在输送到损伤部位之前与细胞和其他治疗剂均匀混合。凝胶支架的机械性能可以更紧密地匹配脊髓组织的性质，相对于大多数预成型的生物材料的矩阵。根据注射系统的功能和设计参数，对注射系统的设计和使用有一些要求。其功能包括：创建用于细胞浸润和轴突向内生长的支架。凝胶材料本身将起到桥接病变部位的作用。整个凝胶化和释放过程中药物的封装和生物活性的维持。注射系统可以将这些药剂局部地持续且可调节地递送至病变部位。注射前，整个固化过程中以及病变部位内对悬浮细胞群的支持。与全身给药相比，细胞疗法在受伤部位局部递送和维持更有效（图1-14）。图1-14细胞封装和病变设计参数的重要性源自难以隔离交联和大分子单体浓度依赖性材料特性（例如机械刚度，筛孔或孔径，降解速率和生物活性配体密度）的影响。设计参数包括与损伤部位，温和的凝固条件，合适的孔隙度的组织使用的材料的生物相容性和网格设计的支架的尺寸，凝胶材料，降解速率和生物活性力学性能。可注射的水凝胶可以是天然的或合成的，具有各自的优点和缺点。它们也可以分为物理和化学凝胶。通常，物理水凝胶具有弱的机械性能的局限性。因此，化学和物理交联的组合已被用来克服这一弱点。例如，PNIPAAm-甲基丙烯酸缩水甘油酯（GMA）和聚酰胺基胺（PAMAM）大分子单体经历了双重硬化的物理和化学胶凝过程，并形成了PNIPAAm-甲基丙烯酸甲基丙烯酸缩水甘油酯（GMA）/聚酰胺基胺（PAMAM）可注射水凝胶[28]。注射式水凝胶系统具有微创性且对患者友好。细胞或生物活