高分子水凝胶研究

高分子水凝胶研究（精选8篇）

高分子水凝胶研究 第1篇

关键词：水凝胶,高分子,结构与性能

高分子水凝胶是高分子链之间以化学键或物理作用力形成的一种三维网络结构,这种结构能吸收一定量的溶剂而使高分子网络溶胀而不被溶解。对于外界环境(如p H值、温度、 电场、介质、光、磁场等)的微小刺激,高分子水凝胶的形状、 力学、光学、渗透速率以及识别性等性能都会发生明显的改变。

根据高分子水凝胶形成材料的差异,可分为合成高分子水凝胶和天然高分子水凝胶两类。通过合成的方法可以更加有效的调控水凝胶内部的结构与性能,从而使得合成高分子水凝胶比天然高分子水凝胶具有更大的应用空间。然而其应用受制于合成高分子水凝胶的单体基本上来源于化石资源。天然高分子水凝胶在生物降解性,生物相容性以及应用安全等方面具有较大的潜在的优势,但因其来源不同,在制备的过程中控制产物的结构和性能等方面存在较大的困难。综合两种凝胶的性能特点,近些年来,不少学者已经开始了天然高分子水凝胶与合成高分子水凝胶的共混共聚的相关研究,并取得了相应的进展。如Ahmed等[1]以交联壳聚糖为基底,戊二醛为交联剂,并将羧甲基纤维素(AAm-g-HEC)互穿到基底中制备得到了具有p H值响应特性的共混复合水凝胶。Wu[2]等利用丝胶蛋白(SS)与聚N- 异丙基丙烯酸铵(PNIPAAm) 和甲基丙烯酸甲酯(PMMA)共混,同样得到了具有快速p H值响应特性的复合凝胶。

根据高分子水凝胶网络形成作用的差异,分为化学水凝胶和物理水凝胶。化学水凝胶是高分子链段之间以共价键的形式交联而形成三维网络聚合物,化学水凝胶的结构具有不可逆性。如刘志玲[3]等在高浓度的葡萄糖环境下制备了一种具有化学交联点的聚膦氰水凝胶,这种凝胶使得负载胰岛素的释放速度加快。物理水凝胶通常是由线型分子间通过次价力作用而形成。这些次价力作用主要包括氢键、库伦力、范德华力等。在外部环境的刺激下,物理水凝胶将发生凝胶至溶胶的转变或者是溶胶至凝胶的转变。罗骁等[4]制备得到了一种具有光、热双控性质的液晶物理凝胶。

根据其对于外界环境的刺激所引起的响应情况的不同,高分子水凝胶可以分为普通水凝胶和刺激敏感性水凝胶。普通水凝胶对于外界刺激响应速率不敏感。刺激敏感性水凝胶可以根据p H,温度,电场,光,磁场等的变化及时发生结构和性能的相应,因而又被称为智能水凝胶。这种刺激敏感特性使其在化学传感器、药物控释载体、物质分离等领域具有广阔的应用前景。Yoshida等将双烯丙基碳酸二甘醇酯与丙烯酰脯氨酸甲酯共聚并通过离子束蚀刻得到一种多孔水凝胶。显微观察发现该凝胶具有温度刺激的不同响应,利用该特性可将其运用到温控化学阀控制领域。杨晨[5]等将低分子量壳聚糖以及透明质酸加入到海藻酸钙凝胶体系中制备得到了复合水凝胶,这种水凝胶被应用于苦参碱的药物释放性能中并提高了其累积释药率。

作为一种迅速发展的新型功能型高分子材料,高分子水凝胶在学术研究和工业应用方面都具有广阔的发展前景。然而其力学性能,机械强度,响应速率,精确控制以及生物相容性等方面的因素制约了其应用。对其进一步开展深入研究, 将对相关领域的技术进步具有重要意义。

参考文献

[1]Ahmed A A K,Naik H S B,Sherigara B S.Synthesis and characterization of chitosan-based p H-sensitive semi-interpenetrating network microspheres for controlled release of diclofenac sodium[J].Carbohyd Res,2009,344(5):699-706.

[2]Wu W,Wang D S.A fast p H-responsive IPN hydrogel:Synthesis and controlled drug delivery[J].React Funct Polym,2010,70(9):684-691.

[3]刘志玲,张力,洪挺,等.化学交联葡萄糖基取代聚膦腈水凝胶制备和胰岛素释放研究[J].高分子学报,2010,(3):340-346.

[4]罗骁,陈思,施燕琴,等.基于POSS核凝胶因子的光、热双控液晶物理凝胶[J].材料科学与工程学报,2015,5:685-691.

高分子水凝胶研究 第2篇

摘要：用海藻酸钠(SA)、海藻酸钠-聚乙烯醇(SA-PVA)、海藻酸钠-聚氧化乙烯(SA-PEO)凝胶球作为吸附剂吸附溶液中的Pb2+.探讨了凝胶球固定化时间、吸附时间、溶液pH值、溶液初始浓度对Pb2+去除率的影响,并对吸附动力学方程进行了分析.结果表明:固定化时间对去除率的影响较小;反应速率较快,吸附时间在10min时,三种凝胶球对Pb2+的去除率就分别达到了80%、82%和88%,吸附时间在2h后基本达到吸附平衡,三种凝胶球对Pb2+的`吸附能力为:SA-PGE>SA-PVA>SA;三种凝胶球吸附铅离子的行为均符合一级反应动力学方程;溶液的pH在4～6时有较高的去除率;三种凝胶球对不同金属的吸附能力为Pb2+>Cu2+>Cd2+;饱和吸附后的三种凝胶球均可以再生利用.作 者：林永波 邢佳 施云芬 蔡体久 作者单位：林永波,邢佳(东北林业大学环境科学专业,哈尔滨,150040)

施云芬(东北电力大学化学工程学院,吉林市,13)

蔡体久(东北林业大学生态学专业,哈尔滨,150040)

高分子水凝胶研究 第3篇

根据凝胶因子种类[3]不同有胆固醇衍生物类、氨基酸及其衍生物类、糖类化合物等。这些分子水凝胶由于其生物相容性和低毒性等,在生物材料、药物传输和释放、以及组织工程等方面都有很大的应用前景。目前引起研究者广泛关注的是一类氨基酸及其衍生物类超分子水凝胶多肽,这种水凝胶具备良好生物相容性、可降解性和可注射性[4],是一种新型纳米软材料物质,在新型生物医用材料方面有潜在的应用价值。

1 α-氨基酸及其衍生物类水性凝胶因子

天然蛋白质水解得到的都是α-氨基酸,即在羧基邻位α-碳原子上有一个氨基,因为其氨基和羧基在一个碳上,使得氨基酸更稳定,经缩合作用形成肽也很稳定。构成生命蛋白的α-氨基酸有22种,它们可以通过酰胺键结合形成多肽,这类物质在生物体内氧化、还原、水解以及C-C键形成反应过程起重要作用,α-氨基酸作为它们构成单元决定着它们具有很好的生物相容性和降解性的优势。因此,研究由α-氨基酸衍生物类凝胶因子自组装形成的超分子水凝胶,对揭示生命科学现象、模拟生物体形成、再生医学具有重要意义。

Suzuki等[5]合成基于缬氨酸、异亮氨酸的吡啶盐两性体凝胶因子,研究结果表明:该两性体凝胶因子可使纯水、无机盐或酸的水溶液凝胶化形成水凝胶。以L-赖氨酸衍生物为基础,研究了一系列低分子量水凝胶的性质,合成了基于赖氨酸的末端带吡啶盐正电荷的水性凝胶因子。由于中性的这些物质的溶解度很低,所以在这些物质上引入正电荷,从而增加其溶解度,制备出水凝胶。利用FT-IR,1H-NMR及8-苯胺基-1-萘磺酸(ANS)和芘为探针的稳态荧光光谱等测试技术对形成的小分子水凝胶进行表征,发现这些凝胶体分子在很低的浓度下通过疏水作用和分子间氢键形成纳米纤维状水凝胶。在这种水凝胶的三维网状空间内可以充满水,作为生物药物载体或为某些特定反应提供反应场所,是一种很有用途的材料。

Frigge等[6]制备出7个1,3,5-环己基三酰基胺-苯丙氨酸的衍生物,并研究了水凝胶形成和性质受分子中氨基酸部分原子手性的影响。实验表明分子中带有1个L-苯基丙氨酸不能形成水凝胶,而带有2个L-苯丙氨酸、1个D-苯丙氨酸的酯和带有2个D-苯丙氨酸、1个L-苯丙氨酸的酯的衍生物都可以形成水凝胶。这两种小分子水凝胶的玻璃态转化温度曲线都呈S形,且与其内部纤维之间的相互作用密切相关。带有3个L-苯丙氨酸的衍生物和3个D-苯丙氨酸的衍生物也都可以克服手性作用,形成性能良好的水凝胶。

Zhimou Yang等[7]研究了一种可以和UOundefined离子鳌合的帕米膦酸二钠盐自组装多功能超分子水凝胶;这种二钠盐是含有不连续互补基团的亮氨酸和赖氨酸衍生物的水性凝胶因子,其悬浊液中加入UOundefined在pH=9～10.4时形成超分子水凝胶。这可能是3种分子相互作用:帕米膦酸二钠盐充当了氢质子的给予体和接受体,在溶液中形成氢键构成空间网状结构,从而成胶,进一步研究发现这种水凝胶可以用于治疗铀创伤。近年来,他们制备了基于甘氨酸或赖氨酸衍生物的小分子水凝胶[8],在水溶液中稳定存在、不易解离且生物相容度高,作为细胞等生物个体的载体在组织工程材料领域获得极高的应用前景,并在组织工程和化妆品等领域取得广泛的实际应用

Das P K等[9]合成研究了基于色氨酸的季氨盐类水性凝胶因子。发现其在0.3%(质量分数wt,下同)的浓度下能形成具有较低相转变温度(39℃)的稳定水凝胶,表征实验表明其自组装形成超分子水凝胶的驱动力也是凝胶因子间氢键、疏水作用。同时细胞毒性实验表明由该凝胶因子形成的超分子水凝胶具有较好稳定性和低的毒性以及生物相容性。Li等[10]以萘甲酸为核,谷氨酸乙酯为原料,发散法合成N-(2-萘羰酰基-1,5-二-谷氨酸乙酯)-L一谷氨酸二胺(NBGE)凝胶因子。研究发现超声波作用下,NBGE能在环己烷、二甲苯和水中形成稳定的超分子凝胶。Andreea Pasc[11]探究了基于L-组氨酸表面活性剂的超分子水凝胶,发现这种表面活性剂分子可在PH值为8,较低浓度下(0.3%)自组装成超分子水凝胶,通过SAXS和WAXS等表征其类似纤维的薄层状聚集体的超分子结构、尺寸和形貌。

杨亚江课题组[12]制备L-苯丙氨酸衍生物的超分子水凝胶,最低凝胶化浓度(MGC)在1.2%～2.5 %,聚集自组装驱动力也是分子间氢键和疏水作用。利用水杨酸为模型药物分子,研究了其所包覆水杨酸在不同pH缓冲液接受介质、温度及水杨酸浓度下释放速率的影响,发现包裹水杨酸水凝胶的TGS(相分离温度)明显降低,凝胶因子不同浓度和不同pH的缓冲溶液接受介质中,水杨酸的释放百分数与时间的平方根成良好的线性关系。

这类可成水凝胶的氨基酸衍生物类水性凝胶因子有望作为一种模型合成多种亲水性或疏水性化合物,而后通过氢键和疏水作用自组装成胶。利用其超分子三维立体的纤维结构和良好的生物性能,可进行更接近于体内生长模式的细胞三维培养和药物释放缓释等应用,是未来组织工程和药物释放的潜在物质。

2 Fomc短肽类超分子水凝胶

1972年Garpino和Han提出一种烷氧羧基类的氨基保护基[13],即疏水性9-芴甲氧羧基(Fmoc),它是多肽合成中常见的一种氨基保护基。Fmoc可在小分子多肽自组装成超分子水凝胶的过程中提供π-π堆积作用。Xu Bing[14]首次报道某种自发形成纤维状支架的Fomc保护的氨基酸肽类,研究发现有些由Fmoc保护基保护的氨基酸具有一定的消炎作用,能在药物运输和细胞培养方面得到广泛的应用。

Ulijn等[15]报道了一系列Fmoc保护的二肽通过自组装形成超分子水凝胶,实验发现Fomc保护的丙氨酸、缬氨酸、亮氨酸以及苯丙氨酸在酶的诱导下都可与苯丙氨酸形成水凝胶。虽然Fmoc-Phe-Gly和Fmoc-Gly-Phe结构相似,只是排列的顺序发生了变化,但是前者在质量浓度为0.18%～0.79%时可形成凝胶,后者却在任何条件下都不能形成凝胶。他们[16]还发现将亲水丝氨酸和疏水氨基酸酯结合,通过芴甲氧羧基的π-堆积形成β-折叠内锁的自组装纳米二维肽Fomc-SF-OMe,是在嗜热菌蛋白酶(thermolysin)促进作用下利用嗜热菌蛋白酶催化形成酰胺键而制备。这些纳米纤维的自组装水凝胶可用于细胞培养,有利于细胞增殖和细胞骨架组织的分析。通过牛软骨细胞MTT实验后继续支持人皮肤纤维原细胞(HDF),只有Fmoc-FF/S凝胶支持三维细胞培养,为体外细胞培养提供了化学的和机械的性能研究。

Xu Bing等发现万古霉素加入到丙氨酸二肽的衍生物形成的Fmoc-D-Ala-D-Ala水凝胶中弹性增加105倍后,又将治疗溃疡性结肠炎的药物分子奥沙拉秦与三肽衍生物结合形成超分子水凝胶[17],这种体系可作为药物释放的智能生物材料,减缓药物释放、抗炎。另外,他们还探究了Fmoc-L-Lys和Fmoc-L-Phe等量混合和相互作用[18]。研究发现,在碱性条件下(碳酸钠提供的),这两种物质可以在不同温度和PH值下自组装成一系列高弹性的水凝胶,随着相分离温度的升高,最低成胶浓度(MGC)、储存弹性模量(G’)和前10s损耗弹性模量的恢复程度都在增大,可应用作细胞培养、药物释放和酶封装中可注射的固化基质。

Liebmann等[19]发现Fomc-Phe-Phe衍生物自组装水凝胶(0.5%～1.0 %)提供的微结构十分有利于细胞的定向分化诱导、细胞分化表型的维持和细胞增殖,高度的生物相容性和简单的成胶过程明显减少了细胞毒素效应,加上其良好的生物降解性使这种小分子水凝胶在细胞三维培养的应用中具有很大的优势。

苑世领课题组[20]合成出了4种Fmoc-D-丙氨酯基的二肽。研究发现Fmoc-D-丙氨酯基-D-丙氨酸、Fmoc-D-丙氨酯基-L-丝氨酸、Fmoc-D-丙氨酯基-L-苏氨酸和Fmoc-D-丙氨酯基-L-酪氨酸4种二肽在pH<5的情况下自组装形成了水凝胶。这些二肽结构相似,侧链基团不同,形成的凝胶的形貌、粘弹性能和抗外界干扰的能力有所不同,推测可能是分子结构中侧链基团的影响。研究还发现,pH<5情况下,酸的阴离子对凝胶的形成产生的影响不显著,而温度变化对凝胶的影响显著,室温下形成凝胶,温度升高到一定程度时,凝胶将被破坏。

杨亚江课题组[21]通过固相多肽合成技术(SPPS)合成一种含有生物粘附配体Fomc -RGD (精氨酸-甘氨酸-天门冬氨酸)序列(RGD序列是存在于纤维连接蛋白中的细胞粘附配体)的小分子三肽,通过多肽的自组装得到可注射的RGD多肽超分子水凝胶。对RGD多肽水凝胶进行生物相容性临床观察和组织学分析发现RGD多肽水凝胶在兔眼结膜下和前房中具有良好的生物相容性和较高的生物降解性。基于RGD多肽水凝胶具有构建眼部植入性药物缓释系统的应用潜力,开发了一种新型自组装RGD多肽水凝胶控释系统,并将在眼前节疾病,比如青光眼、虹膜睫状体炎、角膜病的治疗中发挥作用,有望将来应用于防止人类眼球滤过术后滤过道瘫痕化。

自发形成纤维状的Fomc短肽类超分子水凝胶是十分令人感兴趣的生物支架材料,因其易合成和极高的含水量,使该水凝胶不仅具备某些医药性质,如消炎,且又可以和其他的一些医疗试剂发生作用,从而起到更好的医疗效果,因此在医学领域作为药物载体和细胞培养方面具有潜在的应用价值。

3两亲肽类(peptide amphiphilies PAs)超分子水凝胶

两性分子的头部为极性官能团,有1个或2个疏水尾。最早关于聚集形貌和两亲分子结构的报道是在1981年,Kunitake等[22] 把其分为4个相互独立变化部分:柔性尾(flexible tail),刚性片段(rigid segment),柔性链(flexible linker),亲水性头部官能团(hydrophilic head group) (见图1)。基于对两亲分子结构的认识,Stupp课题组设计了一系列的PAs[23],这种短肽分子主要有3部分:应对生物信号的序列、伴有强烈形成β-折叠趋势的氨基酸、一个疏水的烷基尾部。

近年来,Stupp课题组[23,24]设计特定的PA结构,自组装形成一维柱状纳米纤维。PA分子包含1个肽序列,与烷基疏水部分共价接枝链接,在热力学驱使下,这些分子在水溶液中进行自组装优化表面张力。PAs中一个关键成分就是由4～8个氨基酸直接和1个软脂酸尾部经β-折叠形成区域,这个区域柱状纳米纤维的形成主要取决于最初几个残基周围的疏水尾部的氢键作用。同时,β-折叠区域对优化PA水凝胶的机械性能有很大的影响:缠绕的β-折叠结构越少材料的刚性就越强。可通过改变电解质或PH值筛选出的电荷来引发生成具有纳米纤维的水凝胶。

Stupp课题组应用疏水性药物或有机分子半导体或其他疏水纳米结构,如碳纳米管的表面修饰,两性分子自组装IKVAV可自发形成纳米纤维支架水凝胶,支持神经再生细胞有选择的分化[25]。PA纤维的另一个重要应用是利用其带电表面引导的无机纳米粒子的组装和模板无机矿化、神经组织的再生、血管新生[26]。最近,他们将自组装的胰高血糖素类似物的两亲肽超分子水凝胶应用于老鼠细胞(GLP-1)的三维细胞培养[27],发现可加强分泌胰岛素细胞的活性和分化。因此,将亲水性氨基酸和疏水性脂肪链结合的两亲性生物小分子,可相对容易地引进生物功能,是一种多功能材料。

4 其他氨基酸衍生物类超分子水凝胶

越来越多的氨基酸衍生物类超分子水凝胶被科研工作者设计合成并研究其自组装性质。五肽类凝胶因子NapFFGEY在0.6%下自组装成超分子水凝胶[28]。作为一种酶开关调节的超分子水凝胶,它允许水凝胶的响应具有一定的组织、器官或疾病相关的特定酶的表达,具有新型药物的媒介物质的潜力。以氨基三乙酸(NTA)为模板的金属和配体作用形成的Nap-FF-NTA超分子水凝胶[29],具有磁流变性质,能有效吸收金属离子(Ni,Ho)。含有磷酸化酪氨酸(pY)的Nap-GFFpY-OMe是目前成胶浓度最低的水凝胶因子[30],MGC为0.01%,通过非共价作用延伸超分子链,其中甲基酯和甘氨酸在成胶中起主导作用。

杨志谋[31]基于叶酸(FA)和疏水性抗癌药物的小分子水凝胶药物的新型运输体系FA-GpYK-Taxol(紫杉醇),通过二硫键的还原在磷酸酯酶下0.2%自组装成小分子水凝胶;含有磷酸化酪氨酸的三肽GYK能大大提高疏水抗癌药物的水溶性,叶酸部分可形成稳定四聚体能靶向肿瘤组织、降低毒副作用、提高生物相容性。张艳等[32]设计合成了两种类型的吲哚啉螺吡喃喃类(SP)二肽分子、三种四氮唑类短肽(Tet)小分子、一系列偶氮苯类(Azo)二肽小分子以及结合一些功能性短肽分子,并对这些小分子自组装性质做了研究。SPⅠ-D-Ala-D-Ala可与万古霉素实现响应,使得水凝胶由胶体向溶液发生转变,但其成胶pH较低,在生物体系中的应用受到限制。TetⅡ- Gly-Ala 超分子水凝胶PH值为6.8,已接近于中性,跟生物体内的pH很接近,有作为细胞培养介质及生物方面的潜在应用。侧链含芳环的Azo二肽分子有利于自组装成水凝胶,而含有碱性基团的侧链不利于其自组装。除了结构方面探索,还构建了多样光敏超分子材料,在肽分子基础上构建的光敏纳米材料具有在生物体内应用的极大潜力。

近期,科研者还发现了多组分超分子水凝胶和自补充(self-complementary)离子超分子水凝胶。Xu Bing等[33]研究了一种具有超分子纳米纤维的三倍体嵌合分子水凝胶,由核苷碱基、氨基酸(主要是苯丙氨酸及其衍生物类短肽)和糖苷组成,深入研究了基础支架材料分子在水中的自组装,良好的生物性质(如结合和运输DNA至细胞中的能力、生物稳定性等)赋予其作为新型软材料物质的广阔医学应用。他们[34]探索了一种利用苯环作用形成1个含有天然离子(K+)通道的Fomc-TIGYG超分子水凝胶(0.05%),其可调适、有阶层化的自组装纳米纤维的宽度取决于钾离子的浓度,与钠离子浓度无关。这种选择性可使其与特定目标物结合,产生重复结构的生物模拟材料。杨亚江等[35]也发现了含有强化发光的稀有金属Eu3+与凝胶因子DBC(N,N-二苯甲酰-L胱氨酸)在水中自组装的水凝胶,其动态的相分离温度为60～70℃,随着Eu3+浓度的增大而升高,这种热力学可逆性质可使用于温控发光开关。这些最新研究成果不仅极大地丰富了超分子水凝胶体系,也引入了各种自组装机理、自组装分子设计理论、功能性和潜在应用,金属离子的加入主要是利用离子和配体的配位作用而形成超分子。

5 结语

高分子水凝胶研究 第4篇

水凝胶是一种在高分子材料缝隙间存在大量水的果冻状物质,可用于制造食用果冻、隐形眼镜片、人工软骨等。它具有交联结构,不溶解、不熔融,含水量是总质量的50%~70%,与人体组织类似,故而在作为人体植入物可以减少不良反应,是优良的生物医用材料。但是,水凝胶相对脆弱,且稳定性差,尚不能完全替代承受载荷的人体软组织,因此制备高强度的超分子聚合物水凝胶十分必要。

常用的水凝胶由若干组分组成,需要添加化学交联剂才能保持其性质稳定、强度高、不溶于水。天津大学材料学院刘文广教授课题组使用氨基酸衍生物作为单一组分,在全球率先提出“双氢键超分子水凝胶”的概念,运用氢键自识别机理,无需化学交联剂,制备出新型超分子水凝胶,使其具有更优异的生物相容性,有望用作软湿结构生物材料替代物。

智能水凝胶的制备研究 第5篇

1 实验部分

1.1 实验仪器与试剂

傅立叶变 换红外光 谱仪,电热鼓风 干燥箱(1109531A),DF-101S集热式恒温加热磁力搅拌器,HH-S型恒温水浴锅,GOCOC型玻璃仪器气流烘干器,AL204电子天平。

N- 乙烯基吡咯烷酮 (NVP)(分析纯,反应前经减压蒸馏除去阻聚剂),丙烯酸(AA,化学纯),过硫酸钾 (K2S2O8,分析纯),N,N′-亚甲基双丙烯酰胺(化学纯)。

1.2 NVP/ 丙烯酸共聚物水凝胶的制备

在约50m L的大试管中按一定比例加入N- 乙烯基吡咯烷酮、丙烯酸、水 , 置于45℃的恒温水浴锅中,待试管中温度恒定后,加入引发剂过硫酸钾、交联剂N,N′-亚甲基双丙烯酰胺,并将大试管置于加热套中 , 在恒温加热磁力搅拌器中边搅拌边加热升温至65~70℃,并保持在这一温度范围内反应 , 待引发剂交联剂完全溶解后,观察混合液的状态和温度变化情况。共聚反应及生成水凝胶是在短时间内完成的 , 所以 , 当体系温度突然升高或混合液变稠时 ,就要停止加热和搅拌,试管中呈无色透明状的胶体即为NVP/ 丙烯酸共聚物水凝胶。将新制得的水凝胶放入盛有蒸馏水的烧杯中2d,期间每2~3h换一次水,充分纯化后在温度为70℃的电热鼓风干燥箱内充分干燥至恒重。

1.3 水凝胶溶胀率的测定

采用称重法来测定不同反应条件下制得的水凝胶的溶胀率 (SR)。在温度恒定的条件下,将NVP/丙烯酸共聚物水凝胶浸泡于特定的介质中,使其溶胀吸水,间隔一定时间后取出,用滤纸快速除去水凝胶表面水分后称其质量,按下式计算溶胀率。

SR=(Wt-Ws)/Ws ×100%

式中Wt表示t时刻水凝胶的总质量;Ws表示干水凝胶的质量。

1.4 水凝胶失水率的测定

采用称重法来测定一定条件下制得的水凝胶的失水率Q。将溶胀吸水平衡后的水凝胶放入恒定温度的电热鼓风干燥箱中进行干燥,定期取样称其质量 , 直至恒重,即干燥完成。按下式计算水凝胶的失水率。

Q=(W湿-Wt)/(W湿-Ws)×100%

其中W湿 表示在开始干燥之前水凝胶的总质量;Wt表示时间t时刻水凝胶的总质量;Ws表示干水凝胶的总质量。

2 结果与讨论

2.1 反应物的配比对水凝胶吸水率的影响

固定丙烯酸单体的质量,固定恒温水浴锅及恒温磁力油浴锅的反应温度,引发剂的用量为单体的4%,交联剂的用量为单体质量的7%,然后在不同试管中加入不同质量的N-乙烯基吡咯烷酮,在上述条件下制备出水凝胶,充分纯化、干燥后,取形状、质量大致相同的水凝胶分别置于6个盛有蒸馏水的烧杯中使其充分溶胀吸水,考察不同反应物的配比对水凝胶吸水率的影响,计算溶胀平衡时各SR值,绘制曲线如图3所示。

由图1可以看出,随着N-乙烯基吡咯烷酮(NVP)和丙烯酸单体 (AA) 的比例增大,水凝胶的吸水率是先增大,后减小,当丙烯酸单体 (AA) 和N-乙烯基吡咯烷酮 (NVP) 的比例为1∶1.1~1∶1.2时,水凝胶的吸水效果最好。原因是N-乙烯基吡咯烷酮的量过小,丙烯酸的用量相对过多时,丙烯酸发生均聚,吸水率就会降低;随着N-乙烯基吡咯烷酮的浓度增加,反应物接触面积越大,活化分子相互碰撞的几率就越大,就越有利于共聚反应,形成的共聚物水凝胶吸水率就变大;当丙烯酸用量很少时,N-乙烯基吡咯烷酮的浓度相对很大,NVP庞大的刚性侧基进入分子链而引起大分子网链的高弹性变差,吸水率降低[1]。

2.2 交联剂的用量对水凝胶吸水率的影响

固定丙烯酸单体和N- 乙烯基吡咯烷酮的质量比为1∶1.17,固定恒温水浴锅及恒温磁力油浴锅的反应温度,引发剂的用量为单体的4%,然后在不同试管中加入不同质量的交联剂,在上述条件下制备出水凝胶,充分纯化、干燥后,取形状、质量大致相同的水凝胶分别置于6个盛有蒸馏水的烧杯中使其充分溶胀吸水,考察不同交联剂的用量对水凝胶吸水率的影响,计算溶胀平衡时各SR值,绘制曲线如图2所示。

由图2可以看出,随着交联剂用量的增加,水凝胶的吸水率先增加后减小,当交联剂的用量为单体质量的7%~8% 时,吸水效果最好。水凝胶形成三维网状结构的主要原因就是交联剂,当交联剂用量很少时,不利于较好地形成三维网状结构,因此吸水率低;随着交联剂用量的增加,水凝胶的吸水率也会随之增加;当交联剂用量继续增大时,交联点增多,交联密度增大,这样形成的三维网孔就会因为相互挤压而变小,其网链的高弹性就较差,因此溶胀比降低,故吸水效果不好[2]。

2.3 引发剂用量对水凝胶吸水性能的研究

固定丙烯酸单体和N-乙烯基吡咯烷酮的质量比为1∶1.17,固定恒温水浴锅及恒温磁力油浴锅的反应温度,交联剂的用量为单体的7.5%,然后在不同试管中加入不同质量的引发剂,在上述条件下制备出水凝胶,充分纯化、干燥后,取形状、质量大致相同的水凝胶分别置于6个盛有蒸馏水的烧杯中使其充分溶胀吸水,考察不同引发剂的用量对水凝胶吸水率的影响,计算溶胀平衡时各SR值,绘制曲线如图3所示。

从图3中可以看出,随着引发剂用量的增加,溶胀率大体上呈现出先上升后下降的趋势;引发剂含量在4.5% 的时候,溶胀率达到最高。这是由于引发剂用量低时,体系中活性自由基较少,反应速度较慢,不易得聚合产物,故溶胀率低;而引发剂用量过多时,容易聚合不均匀,使得聚合物相对分子质量减小,网络结构收缩,也使得溶胀率低。这表明引发剂用量是影响聚丙烯酸水凝胶溶胀率的一个因素[3]。

2.4 p H 对水凝胶吸水率的影响

配制6份溶液,调节p H值在3~12之间,将充分纯化、干燥后的水凝胶,取形状、质量大致相同的6小块称其质量依次放入配置好的溶液中,使其充分溶胀吸水,考察不同p H对水凝胶吸水率的影响,计算溶胀平衡时各SR值,绘制曲线如图4所示。

由图4可以看出,水凝胶的吸水倍率随着p H的增加而增加,p H为7~9之间,水凝胶的吸水效果最好。酸性条件下,具有亲水性的 -COO-质子化为亲水相对较弱的 -COOH,此外由于水凝胶内氢键的作用,凝胶网络空间减小,亲水能力及容纳水的能力都减小,所以吸水倍率下降。随着p H的增大, -COOH被中和,-COO-增多,氢键也被破坏 ,吸水倍率逐渐增加。当碱性较强的时候,-COO^{之间的静电排斥力使得网状结构不稳定,吸水倍率减小[4,5]。}

2.5 NVP/ 丙烯酸共聚物水凝胶在不同盐溶液中的溶胀情况

用固体Na Cl配制质量浓度分别为0.5%、1.0%、1.5%、2.0%、2.5%、3.0% 的盐溶液,将充分纯化、干燥后的水凝胶,取形状、质量大致相同的6小块称其质量依次放入配置好的溶液中,使其充分溶胀吸水,考察不同盐溶液对水凝胶吸水率的影响,计算溶胀平衡时各SR值,绘制曲线如图5所示。

由图5可以看出,随着盐溶液浓度的增加,溶胀率随着时间的增加呈现降低趋势。这表明随着盐溶液浓度的增加,NVP/ 丙烯酸共聚物水凝胶的溶胀性能下降。水凝胶内部与水凝胶外部水溶液的浓度不同,在内外两侧之间产生渗透压,且内部浓度大于外部,故凝胶吸水。当被吸收的水中含有盐时,水溶液中离子浓度增加,水凝胶内外的浓度差减小,水向凝胶里渗透的渗透压降低,故吸水能力下降,且氯化钠溶液的浓度越大,凝胶内外的渗透压差越小,吸水能力越小,即溶胀性能越差。同时这些离子还可能与一些亲水基团结合,形成络合物,影响水凝胶的吸水平衡,使水凝胶的吸水倍率下降[6]。

3 结论

1) 以N-乙烯基吡咯烷酮 (NVP)、丙烯酸 (AA) 为原料,N ,N′-亚甲基双丙烯酰胺为交联剂,过硫酸钾为引发剂,采用自由基聚合合成NVP/ 丙烯酸共聚物水凝胶。

2) 当丙烯酸单体 (AA) 和N-乙烯基吡咯烷酮(NVP) 的比例为1∶1.1~1∶1.2时,NVP/ 丙烯酸共聚物水凝胶的吸水效果最好。

3) 随着交联剂用量的增加,NVP/ 丙烯酸共聚物水凝胶的溶胀率呈现出先增加后降低的趋势。当交联剂的含量为丙烯酸单体质量的7%~8% 时,水凝胶的溶胀性能最好。

4) 随着引发剂用量的增加,NVP/ 丙烯酸共聚物水凝胶的溶胀率呈现出先增加后降低的趋势。当引发剂的含量为丙烯酸单体质量的4%~5% 时,水凝胶的溶胀率达到最高。

5)NVP/ 丙烯酸共聚物水凝胶的吸水倍率随着p H的增加而增加,p H在7~9之间时,水凝胶的吸水效果最好。

6) 随着盐溶液浓度的增加,NVP/ 丙烯酸共聚物水凝胶溶胀率随着时间的增加呈现降低趋势。

参考文献

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水凝胶医用敷料的研究概况 第6篇

水凝胶医用敷料是近年来发展起来的一种新型的创伤敷料。与传统的敷料相比, 水凝胶能促进伤口更好地愈合、减轻患者的疼痛, 它能改善创面的微环境、抑制细菌的生长。水凝胶特别适用于常见的体表创伤, 如擦伤、划伤、褥疮等各种皮肤损伤。对于这些伤口, 传统上医生一般用无菌纱布及外用抗生素处理。纱布易与皮肤伤口组织粘连, 换药时常常破坏新生的上皮和肉芽组织, 引起出血, 这不但不利于伤口的愈合, 而且使病人疼痛难忍。用水凝胶敷料敷贴在伤口上时, 它不但不粘连伤口、不破坏新生组织, 而且能杀死各种细菌、避免伤口感染[1]。

1 制备水凝胶的原料

制备水凝胶一般采用高分子材料, 包括天然高分子材料和合成高分子材料。

天然高分子材料因其生物相容性较好而常被选用, 但是天然高分子也存在一些缺点:比如材料性能的重复性差, 机械强度较差, 而且结构与性能可调范围窄, 致使其难以满足医学上的各种实际要求。

合成高分子用来制备敷料用水凝胶具有诸多优点:合成材料通过控制条件, 其生产重复性好, 可根据需要大量生产, 通过简单的物理、化学改性, 获得广泛的性能, 以满足不同需要[2]。但合成高分子的生物相容性一般较差, 可用来制备敷料用水凝胶的原料种类也有限。

因此研究利用天然高分子与合成高分子合成杂化高分子水凝胶引起人们更为广泛的重视, 这种方法将两者的优点结合起来, 以提高水凝胶的性能。既能保留人工合成高分子材料基质的力学强度, 又能具有天然高分子材料的良好生物相容性。

常用于制备敷料用水凝胶的聚合物原料如表1。

2 水凝胶的制备方法

水凝胶的合成主要分为物理方法和化学方法。物理方法主要有共混法、冻融法、纺丝法等。作用的机理主要是通过静电作用、氢键、链的缠结等物理交联作用形成凝胶。化学方法主要有:接枝共聚、高能辐射 (如电子辐射、γ射线) 交联等。作用的机理主要是由通过化学键交联形成三维网络聚合物。

2.1 冻融法

主要是通过多次冷冻熔融循环使高分子在低温下结晶, 这种结晶作用可促使聚合物内部形成微晶, 其功能类似于物理凝胶网络交联点[3]。

Park等人采用冻融法合成了PVA/PVP共聚物水凝胶以用于敷料, 在合成过程中加入了芦荟成分, 发现随着聚合物中芦荟含量的增加, 凝胶的强度下降, 但敷料中的芦荟成分可加快伤口的愈合[4]。

2.2 静电纺丝法

采用静电纺丝技术制备水凝胶纤维, 可以得到直径可低至几十纳米超细纤维, 因此具有很高的比表面积, 使其在水中溶胀快, 吸液量大, 同时得到的纳米纤维膜具有较好的孔隙结构, 可以透湿透气。这样的结构和功能特点使其非常适合于制备医用敷料, 所以近年来人们开始采用静电纺丝的方法制备纳米纤维敷料[5]。

用静电纺丝的方法制备纳米纤维要求水凝胶的材料能溶于一定的溶剂, 形成均匀的溶液, 并可以进行静电纺丝, 而且要制得的纳米纤维在水中应有一定的溶胀性。据目前的文献报道, 能制成纳米纤维水凝胶的材料主要有:壳聚糖及其衍生物、纤维素、明胶、透明质酸等。Milena Ignatova等人将壳聚糖和季胺化的壳聚糖分别与聚乳酸混合, 然后静电纺丝, 制得壳聚糖—聚乳酸和季胺化壳聚糖—聚乳酸纳米纤维, 并用戊二醛蒸汽对纳米纤维组成的无纺毡进行交联, 形成的水凝胶在水中溶胀度达170%, 纤维毡对大肠杆菌、金黄色和葡萄球菌具有较强的抑菌作用, 因此可以用来制备医用敷料[6]。

Chong等人将PCL与明胶的共混, 然后利用静电纺丝将共混物放到3M公司生产的Tegadem聚氨酯敷料上面, 形成一层具有孔隙结构的三维支架层, 这种敷料应用于创面上时可促进纤维原细胞的迁移和繁殖, 加快伤口处真皮层的愈合[7]。

2.3 共混法

共混法是比较简捷的方法, 可以产生物理交联效果, 在共混过程中产生相分离, 制成的水凝胶可用作医用敷料, 可促进生长因子的产生, 加快伤口愈合。

将海藻酸钠与羧甲基壳聚糖共混后可以制成水凝胶膜, 羧甲基壳聚糖中的-NH3+与海藻酸钠中的-COO-的强静电作用, 使共混制得的水凝胶膜在湿的状态下具有较好的强度, 优于单一的海藻酸水凝胶膜[8]。

2.4 接枝共聚

接技共聚指大分子链上通过化学键结合适当的支链或功能性侧基的反应。通过共聚, 可将两种性质不同的聚合物接枝在一起, 形成性能特殊的接枝物。

Siriporn等人研究了以丙烯酸接枝甲壳素制备水凝胶于敷料。以重量比chitin:PAA=1∶4时制成的水凝胶膜的溶胀度达30~60%, 且具有较好的机械强度和细胞相容性, 可以用作水凝胶敷料[9]。

2.5 高能辐射交联

电子辐射交联和γ射线交联是合成医用水凝胶的最常用方法, 具有反应条件温和、不使用有毒交联剂等优点[10]。

Lugao等人用PVP、PEG与琼脂共混, 采用电子辐射交联制成水凝胶, 并用于制备水凝胶敷料, 该水凝胶通过吸水和脱水实验, 发现水通过扩散作用进入到凝胶基质中, 松散地结合在PVP网络中, 这有助于了解敷料吸水和脱水的过程。水凝胶敷料中, 不仅要考虑水凝胶对伤口渗出液的吸收, 还要考虑水凝胶脱水的速率, 防止水分的快速蒸发而导致伤口变干燥[11]。

3 水凝胶医用敷料的优点

水凝胶医用敷料具有很好的亲水性, 能吸收伤口的渗出液, 而且不与伤口粘连, 因此换药时不会破坏新生的肉芽或上皮组织。敷用时, 医生将水凝胶敷料粘贴在患者的皮肤表面上, 然后再用胶布或聚氨酯薄膜固定在伤口上。更换的时候, 只要将水凝胶轻轻地揭掉, 或用生理盐水冲洗掉。更换过程对创面的影响很小, 这是各种医用纱布所无法比拟的。

与其他常用的敷料相比, 水凝胶不会在伤口上脱落纤维等杂质。在伤口愈合时, 可以很方便地把水凝胶从伤口上冲洗去。在一些有皮肤组织损失的伤口, 例如植皮、擦伤、烧伤等, 适合使用片状水凝胶。在这些伤口上, 水凝胶片保护了伤口, 避免伤口的脱水干燥。这也是水凝胶的最大优点———它能在伤口上产生一个湿润的环境, 促使伤口上的坏死组织被酶分解, 因而为伤口的愈合创造了一个良好的环境[1]。

总的来讲, 与其他种类的功能性医用敷料相比, 水凝胶敷料有如下一些优点:

有利于维持创面的湿润环境, 使伤口不易结痴。避免了使用纱布时, 纱布常常与伤口粘在一起, 更换时易引起伤口开裂, 不利于伤口愈合, 给患者造成痛苦的状况;

由于水凝胶是透明的, 有利于患者和医生透过凝胶随时观察伤口的变化情况;

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, 可以促进伤口的愈合或减轻伤口的疼痛;

水凝胶不与伤口作用, 伤口渗出物可通过凝胶排出;

水凝胶较柔软、弹性好、机械性能好、透水透气, 并且无毒副作用;

原料来源广, 水凝胶由90%左右的水组成, 成本低, 制备水凝胶的亲水性高分子, 如海藻酸钠、果胶等价格也相对较低;

生产的流程短, 工艺简单方便[1]。

临床上, 水凝胶医用敷料已经被证明具有很好的疗效。

4 结语

水凝胶医用敷料具有传统敷料所无可比拟的诸多优点, 因此我们要加强具有自主产权、性能优良、价格低廉的水凝胶医用敷料的研究和开发, 减少对国外进口敷料的依赖, 这对减轻病人的经济负担和痛苦, 对我国敷料工业的发展, 都具有重要意义。

参考文献

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水凝胶的最新研究进展 第7篇

目前研究最多的刺激响应型聚合物是水凝胶。水凝胶高分子化合物的性质首先是与聚合单体和交联剂的性质有关,其次是水凝胶的原料聚合物的聚合工艺条件参数有关,同时还取决于溶胀时所使用的条件。根据水凝胶对外界刺激的应答情况,可以分为两类化合物:一类是传统的水凝胶高分子材料,这类水凝胶对环境的变化相对不是很敏感;而另外一类则是对外界条件非常敏感的水凝胶高分子材料,这类水凝胶高分子材料由于对于不同的环境条件具有不同的应答表现,因此可以作为一种新型的智能材料来使用,具有良好的的科研和市场应用前景[1]。

本文对于目前大量研究的水凝胶高分子材料的种类、性质、应用以及发展实用的前景以及未来新型智能材料研究前景的探讨等进行了分析和总结。

1 水凝胶的分类

1.1 智能水凝胶

智能型水凝胶是一种可以进行传感、处理并且具有执行功能的高分子材料,作为一种新型的智能材料,在诸多领域有着重要的用途。根据对外界环境条件的刺激表现出不同的响应情况可以分为:温度敏感性的水凝胶高分子材料、对于pH敏感性的水凝胶高分子材料、对光敏感的水凝胶高分子材料、对压力敏感的水凝胶高分子材料、对于生物分子敏感的水凝胶高分子材料、对于电场敏感的水凝胶高分子材料等[2,3,4]。

1.1.1 温度敏感性水凝胶

这一类水凝胶高分子材料的溶胀与收缩性,对于温度的变化具有非常高的敏感度,具体表现为在较低温度下溶胀度较高,在相对较高温度下溶胀度比较低。该凝胶具有最低临界共溶温度(LCST),即溶胀度的变化和温度的变化并不是线性的,在某一温度下水凝胶的体积表现为突然的收缩和膨胀。

Takashi Aoki等[5]合成了聚(N,N’-二甲基丙烯酰胺-共-丙烯酰胺-共-甲基丙烯酸丁酯)与聚丙烯酸的互穿网络凝胶,具有高温下溶胀,低温下收缩的特点。

陈兆伟等[6]采用不同粒径的硅胶颗粒从而制备的多孔PNIPA水凝胶高分子材料,并且测定了不同的温度下达到溶胀平衡时,水凝胶高分子材料的去溶胀的具体作用机理,以及收缩凝胶的再溶胀作用。实验结果显示出,和无孔凝胶相比,多孔凝胶高分子材料的溶胀性能有了很大的提高,这主要是因为孔结构的存在使得水凝胶高分子材料的响应速率,尤其是溶胀性能速率有了大幅度的提高。

Wei等[7]在合成水凝胶过程中,采用BIS作为交联剂,通过两步聚合反应法得到了和传统水凝胶材料相比有更好的溶胀和去溶胀作用的对于温度敏感的冷冻凝胶P(NIPA/AA)。

许多科研工作的结果都表明,如果水凝胶的溶胀比随温度的升高而增加,随着温度的降低而降低,则水凝胶表现为热胀性。这种特性对于水凝胶高分子材料在各方面的应用,特别是在药物的可控性释放方面的应用具有非常重要意义。

1.1.2 pH敏感性水凝胶

水凝胶高分子材料对于pH的敏感性是指其溶胀或消溶胀作用是随着pH值的不同而进行变化。水凝胶高分子材料对于pH的敏感性最早是由Tanaka等[8]在测定丙烯酰胺进行陈化后的溶胀率时首先发现的。pH响应水凝胶高分子材料一般是含有-COO-、-OPO3、-NH3+、-SO3+等阴阳离子基团。

pH敏感性水凝胶中含酸、碱性基团,溶胀、收缩、渗透压随pH、离子强度变化,可实现靶向释药。

徐晖等[9]对于pH具有敏感性的甲基丙烯酸共聚物的水凝胶高分子材料进行了研究合成,并且对氢溴酸右美沙芬和维生素B12在水凝胶中的扩散行为进行了大量研究,结果表明,该水凝胶高分子材料可以控制药物在相对较低的pH值下的介质中基本不会进行释放,而在中性或者是碱性的介质中,药物可以以较快的速率进行释放。

Shi等[10]采用辐照的方法制备了一类不同的壳聚糖/丙烯酸共聚水凝胶高分子材料,该水凝胶在交低的pH值和较高的pH值下都具备良好的溶胀性能,而在pH值不高不低时溶胀性比较低。

对pH敏感的聚2-乙烯吡啶(PVP)微凝胶粒子[11,12],当pH值低于4.5时,吡啶基团质子化,微凝胶网络呈正电性,引起微凝胶网络的扩张,适合于作控制药物的控释载体。

1.1.3 光敏感性水凝胶

水凝胶高分子材料的光敏感性是指水凝胶在受到光照的刺激下而发生的一种体积相互转变的现象。光敏材料的响应性机理主要有3种:(1)是对于热敏感的材料中的含有特殊感光的分子,能够将光能转化为热能,从而使材料内局部温度发生改变,当凝胶内部的温度达到热敏性材料的相转变温度时,凝胶产生光敏感;(2)是利用光敏感的分子遇到光照分解产生的离子化从而实现光敏感;(3)是在水凝胶高分子材料中加入了发色基团,在光照下,这些发色团的物理化学性质发生了变化,从而导致具有发色团的聚合物链的空间或者几何构型发生变化,从而导致聚合物的性能也发生了变化。

Suzuki和Tanaka等[16]在PNIPAAm水凝胶高分子材料中引入叶绿素的分子结构,光照时叶绿素吸收光使水凝胶的微环境温度进行升高,凝胶从而收缩。反之,凝胶发生溶胀。

1.1.4 压力敏感性凝胶

水凝胶高分子材料的压力敏感性能最早是由Marchetti[17]通过理论性计算得出来的,计算结果表明,凝胶在低压下出现塌陷,在高压下出现膨胀。钟兴等[18]研究了压力对聚N-正丙基丙烯酞胺(PNIPA)、聚N,N-二乙基丙烯酞胺(PN-DEA)及PNIPAAm这3种温敏性凝胶高分子材料溶胀性的影响,实验结果显示,这3种凝胶的压敏性是其相转变温度随压力改变的结果,对于压力有不同的响应。他们认为3种凝胶能表现出明显的对于压力的敏感性,这主要是因为它们还具有温敏性;同时还由于其相转变温度随压力而有所升高,于是,当温度不发生改变时,如果常压下处于收缩状态下的凝胶是因为压力的增加而使凝胶材料所处温度低于相转变的温度的话,凝胶将会发生大幅度的溶胀。

1.2 磁性水凝胶

磁性聚合物微球[19,20]是指通过一定的制备方法使得有机的高分子化合物与无机磁性粒子结合从而形成具有一定的磁性以及特殊结构的复合微球。结构通常有3类:(1)核壳式,即内核为磁性材料,壳为聚合物材料的结构;(2)反核壳式,即内核为聚合物高分子材料,外壳是磁性材料构成的;(3)三明治式,即内层以及外层都为聚合物高分子材料构成,中间的夹层为磁性材料的结构。

Tahsin Bahar等[21]合成了表面含有活性基团的聚苯乙烯的磁性微球结构化合物,并用于固定葡萄糖淀粉酶,从而得到了固定化酶的最佳条件,而且葡萄糖淀粉酶的固定化率达到了70%,并且固定化后酶活性与未固化效果接近。

磁性微球作为给药载体具有很好的特点[22,23,24]:(1)载有药物的微球被吸附到靶区的附近,使靶区很快达到所需的药物浓度,而使未患病区域的药物布量相应地减少,可以实现有效增加供给药物,降低总的给药剂量;(2)药物绝大部分作用在局部,相对地减少了药物对人体正常组织的损害,特别是降低了对肝、脾、肾等器官等的造血和排泄系统的损害;(3)由于使药物集中于病患区,能够加速产生药效,提高疗效。

丁小斌等[25]制备了对热敏感的磁性Fe3O4/P-(St-NI-PAM)微球凝胶化合物,将其用于人的血清白蛋白(HAS)的吸附/解吸的研究,结果表明,该微球具有简便,非常快捷进行分离的磁特性。

磁性聚合物微球因为表面不同的表面功能基团,可以具备不同功能,例如在固定化酶、细胞分离与标记、免疫测定、靶向药物释放、环境/食品微生物检测、新型涂料或颜料及有机和生化合成等诸多方面有着重要的作用。

1.3 聚合物水凝胶

有学者称,聚合物凝胶高分子化合物在外界环境条件,例如温度,PH值等,在这些条件改变时其体积会发生变化,这主要认为是聚合物分子内的离子作用、疏水作用、范德华力、氢键等分子结构作用所至。

水凝胶高分子化合物的制备合成方法非常多,根据所用的引发剂不同可以分为化学法以及辐射法。而化学法又分为乳液法、反相乳液法等。辐射法可以分为紫外光和γ射线辐射法等。另外,通过辐射提供能量引发单体接枝的方法,也是目前合成聚电解质性的水凝胶高分子化合物的一个主要的方法。

Jennifer[26]也用紫外光辐照进行自由基聚合方法合成了聚乙烯基乙二醇甲基丙烯酸的水凝胶高分子化合物。Kimiko[27]通过界面聚合的方法合成的聚L-赖氨酸异丙基丙烯酰胺和对苯二甲酸的对温度敏感的凝胶微胶囊。

Chapiro等[28]报道了在辐射的作用下,进行合成孔径相对比大的凝胶高分子化合物。另外在合成凝胶高分子化合物时通过在溶液中添加不同的添加剂从而调节聚合物链之间,以及聚合物链与水分子之间的不同作用力来调节凝胶的孔径大小。

Filipcsei等[29]报道了聚二甲基硅氧烷中引入二氧化钛的凝胶高分子化合物,在电场中进行检测时发生弯曲的现象,分析其机理主要是因为电场作用在凝胶内粒子的力转移到凝胶高分子化合物的大分子链上所导致的。

2 水凝胶的应用

2.1 水凝胶在医药领域的应用

水凝胶类高分子化合物类似于生命组织的结构,所以它在人体内可以做到不影响生命体的代谢过程,同时体内的代谢物质可以通过水凝胶达到排除体外的目标,因而水凝胶可以作为体内某些组织填充剂。水凝胶还可以用于制造角膜接触镜、医疗传感器、人造皮肤等[30,31]。

高分子水凝胶材料在吸水方面有着较好的作用,并且在吸尿、吸血方面也有较好的应用,所以在卫生材料领域内的应用是开发最早,也是最为成熟的。因此纸尿布、排尿袋、生理巾方面有着大量应用等。

聚合物水凝胶[32]目前在某些药物的应用,制造成微胶囊作为药物的载体,可以定向的把药物送至患病处可控的缓释,从而提高药物使用效率。在生物科学领域方面,不同孔径的聚丙烯酰胺凝胶高分子化合物一直被用作某些不同分子量的蛋白质和氨基酸分离的工具。

2.2 水凝胶在农林业的应用

水凝胶在农业上称为保水剂[33]。水凝胶可以锁住土壤中的水分,保持土壤的肥力。国内外大量实验证明,水凝胶可以提高土壤水分40%左右。水凝胶在一定程度上可以减少可溶性养分的淋溶损失,与化肥、农药混用可起到增效缓释的作用。目前,专家研究表明,水凝胶可以改善土壤结构,具有降低土壤容重、增加孔隙度、提高土壤团聚体的作用。

我国黄土高原造林实验研究所用LSA-2保水剂处理苹果树苗代替传统的泥浆包法,不仅减轻了劳动强度和运输重量,而且树苗成活率也得到提高[34]。

2.3 水凝胶在工业上的应用

将水凝胶添加到涂料中,可以赋予涂料假塑性和触变性,使其具有很高的粘度和屈服应力,可以防止涂层的流挂现象。在造纸废液、制革废液、食品加工废液中,水凝胶可以作为一种絮凝剂,对这些废液进行污水处理。水凝胶还可以用为电缆包裹材料、钻井润滑剂、食品、水果、蔬菜等的保鲜型包装材料以及电子工业中使用的湿度传感器、水分测量传感器以及漏水检测器等精细化工产品与仪器等高精密仪器制备过程中[35]。

2.4 水凝胶在组织工程中的应用

生物体内许多组织具有水凝胶高分子化合物的结构,生物体的组织由细胞和以及细胞外基质组成,而细胞外基质成分是蛋白质,糖分以及水组成的类似水凝胶的物质。

目前被人们广泛关注的生物高分子凝胶主要是多肽凝胶。Masayuki Tomida[36]制备了一系列功能性多肽凝胶。天冬氨酸在γ射线的辐照下进行交联得到凝胶,检测吸水率可以高达3400倍。诸多科研人员对于利用微生物进行制备的多肽创制凝胶也进行了很多有益的探索工作,这些α-多肽在生物降解性方面具有很好的性能。

3 水凝胶的研究和发展趋势

水凝胶材料所具有的优异性能已经而且仍然在不断引起人们的广泛兴趣,使其研究与开发、生产与销售不断的发展与提高。研制和开发性能更为优良的高分子水凝胶高分子材料已经成为目前一个重要的研究热点。

对于环境敏感的高分子水凝胶材料在诸多方面有着重要的作用,例如细胞分离、固定化酶、缓控药物及靶向药物等领域的应用研究日益活跃,并且显示出非常好的应用和市场前景。环境敏感性高分子水凝胶材料的重要之处是在于其用于酶等具有生物活性分子进行固定化后,可通过控制条件而实现均相进行反应和异相分离的有效统一,而在药物控制释放领域的研究时则又可以跟不同的场合环境条件进行变化,这将使其在生物活性分子及生物医用高分子方面的研究中具有非常重要的意义[37]。

水凝胶力学性能的提高,增加聚合物分子之间的交联是一种提高水凝胶力学性能的重要的方法,主要有化学交联法[38]和物理交联法[39],但一般的交联会使水凝胶高分子化合物的溶胀性能变的很差,这对水凝胶在实际应用中是非常不利。有研究[40]表明,添加层状硅酸盐到N,N’-二乙基丙烯酰胺水凝胶高分子材料中,可以提高水凝胶的溶胀性能。

4 展望

智能水凝胶制备工艺最新研究进展 第8篇

1 智能水凝胶制备工艺方法

1.1 ATRP法

原子转移自由基聚合(ATRP)是一种可控自由基合成技术,与普通的自由基技术相比,ATRP技术使凝胶聚合物网链的均匀性提高,更为重要的是通过引发剂的结构设计可以得到不同结构与性能的水凝胶。

例如Sui等[6]以线形引发剂2-溴异丁基溴改性的聚乙二醇为大分子ATRP引发剂,合成了聚乙二醇与聚甲基丙烯-2-甲胺基乙酯的嵌段共聚物(PEG102-b-PDMAEMAn)。结果表明,PEG102-b-PDMAEMAn能与α-环糊精(α-CD)形成一种具有pH/温度双敏感性的注射用超分子水凝胶,其中PEG段与环糊精之间的包合作用是凝胶网络形成的主要因素;Xu等[7]采用支化结构引发剂2-溴异丁酰溴改性羟基丙基纤维素(HPC)制备了接枝有PNIPAm的梳型共聚物(HPN),用二乙烯基砜交联HPN得到了一种含有天然大分子的温敏性水凝胶。由于HPC为天然聚合物,使得水凝胶在人胚肾细胞(HEK293)培养中表现出很好的生物相容性。另外,PNIPAm的支链结构使HPN水凝胶不仅温度敏感性提高,而且在牛血清蛋白(BAS)的控制释放过程中表现出更强的控制能力。

还可以使用无机引发剂制备无机-有机杂化水凝胶,兼具无机材料和水凝胶两方面的性质。如Chirra等[8]利用十八硫醇和带有溴代异丁酸端基的十一烷基二硫化物对金表面进行改性,然后通过微接触印刷法在其表面制备出一层PNIPAm水凝胶纳米薄膜。由于该印刷法在二维XY方向上的限制,因此改变反应时间即可在纳米尺度上实现对凝胶厚度的精确控制,他们已成功地在金表面制备了厚度分别为300nm、425nm和600nm的水凝胶薄膜。

1.2 冷冻干燥制备法

冷冻聚合法是指将反应溶液冷冻至溶剂的冰点温度以下,溶剂凝结成冰晶,充当致孔剂,而单体从冰晶中被挤压出来,在低温下继续聚合反应。待聚合反应完成后,在室温下解冻,冰晶融解留下孔洞,即得到多孔结构的水凝胶。由于无需添加任何助剂,故不存在致孔剂残留等优点而成为最近研究的热点[9,10]。

张烨等[11]利用葡聚糖硫酸盐(dextran sulphate,DS)与大豆11S球蛋白(glycinin,11S)在加热过程中形成多阴离子复合物,继而采用微生物转谷氨酰胺酶(microbial transglutaminase,MTG酶)在pH7.0、一定离子强度条件下,通过分子间ε-(γ-谷氨酰胺基)赖氨酸共价键交联,制备了透明冷致水凝胶。以SEM观察MTG酶诱导11S冷致凝胶断面结构(图1),结果显示,以MTG酶交联大豆11S球蛋白所形成的凝胶呈现无序的片层叠加状结构;随DS/11S比值的增加凝胶微结构逐步趋于有序,并显现网络结构;当DS/11S比值由0.02增加至0.1时,所形成凝胶的网络孔径变得越来越有序且致密。而致密有序的网络凝胶结构具有更大的比表面积,更有利于水分子与DS及大豆11S球蛋白中亲水基团相互作用,水分子稳定保留于凝胶网络中,从而提高凝胶的持水性能,同时增加凝胶强度。

杨桔等[12]采用冷冻聚合法制备了多孔结构的P(NIPAmco-AAm)智能水凝胶,合成路线如图2所示。研究了不同预冷冻聚合时间对水凝胶温度响应速率的影响,并且与传统方法制备的P(NIPAm-co-AAm)水凝胶进行了响应速率对比试验。实验结果表明,冷冻聚合法合成的水凝胶其温度响应速率得到显著的提高,具有更为贯通的开孔结构,这些相互贯通的开孔结构为水分子进出水凝胶提供了通道。

1.3 互穿网络制备法

肖玉良等[13]以线型的羟丙基甲基纤维素(HPMC)和N-异丙基丙烯酰胺(NIPAAm)为原料,制备出半互穿网络水凝胶。将吸水平衡的水凝胶样品用湿润的滤纸擦去其表面水分,放入-70℃中淬冷后转入冷冻干燥机中除水,然后在BX51荧光显微镜下观察其表面形态,如图3。由图可知,PNI-PA水凝胶内有浅而封闭的孔洞,而改性后凝胶(PNI-H01、PNI-H03、PNI-H05)通道结构较改性前明显,即在原有基础上将孔洞贯通,且随着凝胶中HPMC用量的增加,凝胶中的通道结构增大愈加明显,这样为水分子进出提供了路径,从而有利于水分子在凝胶中的扩散。

王娜娜等[14]以丙烯酸(AA)和N,N-二甲基丙烯酰胺(DMAA)为单体制备超孔P(AA-co-DMAA)凝胶,再以戊二醛为交联剂,将海藻酸钠(SA)作为第二网络互穿到P(AA-co-DMAA)网络中,制得P(AA-co-DMAA)/SA互穿网络水凝胶,研究其对盐酸小檗碱的释放行为。结果表明:载药凝胶在pH=6.8溶液中对盐酸小檗碱具有缓释效果,升高温度使凝胶对盐酸小檗碱的累计释放率增大,增大戊二醛和SA的用量使累计释放率降低。

1.4 水溶液聚合制备法

余娟等[15]采用自由基水溶液聚合制备了PDMAEMA均聚物水凝胶,利用动态粘弹谱仪进行压缩和蠕变实验。蠕变曲线可以反应凝胶的黏弹性[16],25℃时,PDMAEMA凝胶在6、8、10kPa的恒应力作用下,凝胶的应变随时间的变化曲线如图4所示。蠕变实验结果表明,当给水凝胶施加一定的应力后,在相等的时间范围内,撤出应力后水凝胶的形变能得到一定程度的恢复,但没有完全恢复,说明凝胶有一定的弹性。图5显示了是PDMAEMA凝胶的拉伸与打结照片,可以看出,PDMAEMA水凝胶具有良好的黏弹性,这与蠕变实验的结果一致。

1.5 超声辐射聚合制备法

交联聚合物有很高的吸水性,但机械强度差、溶胀时极易裂损,从而限制了它的实际应用。而应用辐射技术制备共聚凝胶,有望在保留高吸水性的同时增加共聚凝胶的力学性能。此外,辐射聚合法制备出的高分子水凝胶操作简便、易于控制、所得产物纯净。

林汉等[17]以电子束为辐射源制备了poly(PEG-β-CD/NIPAAm)水凝胶,研究了辐照吸收剂量对水凝胶平衡溶胀率的影响,见图6,不同剂量下水凝胶样品的LCST基本不变(32℃)。当温度低于LCST时,随着剂量的增加,形成的水凝胶交联度高,网络结构紧密,平衡溶胀率随之降低。当温度高于LCST时,由于样品本身的溶胀率较低,故吸收剂量对溶胀率的影响较小。以5-氟尿嘧啶(5-FU)作为模型药物的体外释放实验表明,辐射聚合所得水凝胶比PNIPAAm的释放时间有所延长。此现象可能归因于经过辐射后的环糊精分子与药物分子形成了包合物。

Chen[18]等人利用UV聚合方法合成了PDMAEMA水凝胶,研究了PDMAEMA的温度敏感性能,研究结果表明水凝胶具有温度敏感性,其LCST大约为40℃。Liu等[19]还利用γ射线辐射聚合合成了PDMAEMA水凝胶,研究表明制备的水凝胶在38至40℃范围内具有温度敏感性,在此温度范围内溶胀率急剧减小。Liu等[20]研究了PDMAEMA与不同重均分子量的PEO,在一定量的γ射线照射下,合成了具高强度,高溶胀率,且具有一定温度,pH敏感性的水凝胶材料,同时研究表明随着PEO分子量的增加,这些性能减弱。

1.6 RAFT法

刘晓暄等[21]采用光引发可逆加成-断裂链转移(RAFT)方法,在室温下先合成了链端含有三硫代碳酸酯基的大分子链转移剂聚(N,N′-二甲基丙烯酰胺)(PDMAM),然后与N-异丙基丙烯酰胺(NIPAM)、N,N′-二甲基双丙烯酰胺(BIS)交联共聚合,并通过聚乙二醇的制孔作用制得PNIPAM-g-PD-MAM梳型/多孔水凝胶,合成过程如图7所示。相比其他合成梳型水凝胶的方法,可控/“活性”聚合法的优势在于对接枝链的分子量和分散系数的可控上以及可对梳型水凝胶进行扩链。亲水性PDMAM接枝链的引入可大大改善了水凝胶的溶胀性能,水凝胶的溶胀速率显著增加。

1.7泡沫分散聚合法

泡沫分散聚合法可制备孔径几十至几百微米的超孔凝胶,其作为新型的药物载体已经得到国内外学者的广泛关注[22]。

王立华等[23]采用泡沫分散聚合法,以自制的4-乙酰基丙烯酰乙酸乙酯(AAEA)和2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸(AMPS)、丙烯酸(AA)为单体,以饱和Na2CO3水溶液为发泡剂,十二烷基磺酸钠为泡沫稳定剂,制备了快速响应型水凝胶。结果表明,该凝胶具有超大孔结构,如图8(a图AA质量分数为37.5%;b图AA质量分数为37.5%)。且溶胀及消溶胀速率较传统凝胶显著提高,20s内即可达到溶胀和消溶胀平衡;凝胶对Cu2+的去除率随pH的变化不大,为62.72%;对Fe3+最大去除率接近100%,;对Pb2+最大去除率为63.74%。

对于一些特殊的应用,如大分子药物的控制释放,要求凝胶有较大的孔径,有利于大分子药物的负载和释放。张弦等[24]采用泡沫分散聚合法,以NaHCO3为发泡剂制备具有大量互相贯穿的多孔结构P(NIPA-co-AM)超大孔水凝胶,研究了NaHCO3用量对凝胶溶胀和退溶胀性能的影响,研究表明NaHCO3用量少时,气泡体积小,多孔性差,而用量过多时,发泡过快来不及分散就已经破裂,形成的孔洞不均匀,所以如图9(a)、13(b)中所示,NaHCO3用量过低或过高时,得到的凝胶溶胀性能和退溶胀性能均不好。

2存在问题及展望

近年来智能水凝胶的研究取得了很大进展,能响应多种不同外界刺激的智能水凝胶已有不少文献报道。然而,智能水凝胶要真正达到实际使用的要求,还有许多问题需要解决。用于药物输送与可控释放的智能水凝胶的生物安全性非常重要,尽可能除净有毒副作用的小分子化合物,如残留的单体和交联剂等,是值得关注的课题。在这方面采用天然聚合物合成智能纳米水凝胶比合成聚合物更有优势,它在人体内还可生物降解。另外,继续窄化温度刺激响应性水凝胶的相转变温度范围,提高它在相转变前后的体积溶胀比,也是需要努力的研究方向。近年来纳米级水凝胶的研究受到广泛关注,由于其具有大表面的特殊效应,因此其所表现的特性,例如熔点、磁性、光学、导热、导电特性等等,往往不同于该物质在整体状态时所表现的性质。双重刺激响应性纳米水凝胶近年来崭露头角,相信不远的将来将会有能响应三重刺激甚至更多重刺激的智能纳米水凝胶开发出来,以满足更多的实际需要。可以相信,随着时间的推移,在有关学科科学家的努力下,不远的将来,智能水凝胶必将为人们的日常生活和健康、国民经济建设乃至国防安全发挥必要的作用。

摘要：水凝胶是一种具有三维网络结构的新型功能高分子材料,其在药物输送与可控释放、医学诊断、生物传感器、微反应器、催化剂载体等方面有良好的应用前景。综述了水凝胶近几年最新的制备工艺方法,以期为智能水凝胶的实际应用提供参考。另外,对这智能水凝胶目前存在的问题和今后的发展方向提出了一些看法。