水凝胶的制备 PPT
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水凝胶的制备方法
生物交联法
01
定义：通过生物反应过程，使水凝胶的分子间形成交联结构
02
常用方法：聚合酶链反应、核酸酶降解法、生物催化剂法等
03
优点：制备过程简单、成本低廉、可实现大规模生产
04
缺点：交联程度受生物反应条件影响较大，可能导致凝胶强度不均
3
制备水凝胶的关键步骤
选择合适的交联剂
D
通过实验验证交联剂的选择是否合适
C 选择具有良好稳定性和耐水解性能的交联剂
B 根据水凝胶的应用需求，选择合适的交联方式
A 选择具有良好溶解性和生物相容性的交联剂
选择适当的起始材料
选择适合制 备水凝胶的 起始材料， 如纤维素、 明胶、海藻 酸钠等
选择合适的 起始材料浓 度，以保证 水凝胶的形 成和性能
根据需要选 择适当的交 联剂，如丙 烯酰胺、 N-乙酰氨 基葡萄糖等
选择适当的 反应条件， 如温度、时 间、pH值 等，以保证 水凝胶的形 成和性能
01
02
03
04
制备过程中的控制因素
01
材料选择：选择适当的水凝胶材 料，如聚乙烯醇、明胶等
03
温度控制：温度对制备过程中的 凝胶形成有重要影响，过高或过 低的温度都可能导致凝胶失败
02
浓度控制：根据需要调整溶液浓 度，以达到所需的凝胶强度和性 质
建筑领域：用于建筑保温、建 筑结构等方面
技术挑战与解决方案
水凝胶的稳定性问 题：通过选择合适 的材料和优化制备 工艺来提高水凝胶 的稳定性
水凝胶的生物相容 性：通过研究水凝 胶的结构和化学成 分来提高其生物相 容性
水凝胶的大规模生 产：通过优化生产 工艺和设备来提高 水凝胶的产量和质 量
水凝胶的制备
水凝胶基质
• 卡波姆
三乙醇胺或 NaOH中和
1％水分散液 pH3.11， 粘度较低 逐渐溶解，粘度↑
低浓度：澄明溶液
高浓度：半透明凝胶 pH6~11,粘度和稠度最大
中和1g卡波姆约需1.35g三乙醇胺或400mgNaOH
水凝胶基质
• 卡波姆
– 本品制成的基质无油腻感，使用润滑舒适，特 别适宜于治疗脂溢性皮肤病。 – 配伍禁忌：盐类电解质、碱土金属离子以及阳 离子聚合物、强酸等
• 制法 • 应用 • 举例
引湿性很强的白色松散粉末可以在水中迅速溶胀但不溶解当用碱中和时随大分子的不断溶解粘度逐渐上升在低浓度时形成澄明溶液浓度较大时形成半透明的凝胶evaluationonly
凝胶剂
戚建平 复旦大学药剂学教研室
凝胶剂
• 概述 • 水凝胶剂基质 • 水凝胶剂制备
概述
• 凝胶剂（Gels）
– 指药物与能形成凝胶剂的辅料制成的均一、混悬或乳 剂型的胶状稠厚液体或半固体制剂
成膜材料
• 种类
– 天然高分子
• 明胶、虫胶、阿拉伯胶、琼脂、淀粉、糊精 • 特点：可降解或溶解，但成膜、脱模性能较差，常 与其他材料合用。
– 合成高分子
• 聚乙烯醇（PVA）
– 特点：成膜性能优良，成膜后的强度与柔韧性均较好。
• 纤维素衍生物
– HPMC、CMC-Na、HPC、CA
成膜材料
• 常用品种
膜剂概述
• 特点
– 优点
• • • • • • 工艺简单，生产中没有粉末飞扬； 成膜材料较其他剂型用量小； 含量准确； 稳定性好； 吸收快； 体积小、质量轻，应用、携带及运输方便。
– 缺点
• 载药量小，只适合于小剂量的药物，而且其重量差异不 易控制，收率不高。
聚乙烯醇水凝胶的制备及应用(共18张PPT)
紫外线等直接辐射PVA 水溶液或辐射用物理 而以其为原料制备的水凝胶是以水为介质的凝胶，是一种高分子网络体系，它能保持一定的形状并具有一系列独特性能。
辐照交联的另一独到之处在于无需添加引发剂或交联剂，产物纯度高且具有较好的光学透明度，并且在加工过程中还可同步实现消毒的 作用，辐射交联时间短，节约能源，尤其在医用高分子材料领域具有明显优势和巨大的应用前景。
特点：分子链间通过氢键和微晶区形成三维网络，即物理交联点，这些交联点随温度等外界条件的变化而变化。
凝胶的结构与性能类似于反复冻结法。 辐照交联的另一独到之处在于无需添加引发剂或交联剂，产物纯度高且具有较好的光学透明度，并且在加工过程中还可同步实现消毒的
作用，辐射交联时间短，节约能源，尤其在医用高分子材料领域具有明显优势和巨大的应用前景。 缺点：化学试剂交联由于采用交联剂，交联后有交联剂残留问题，难以得到高纯度PVA 交联产物；
③冷冻条件
有研究表明：PVA水凝胶的拉伸强度和拉伸模量随凝胶的浓 度和冷冻解冻次数的增加而增大。最高拉伸强度可达。但 当浓度大于20%时，溶液粘度较大，分子量较大时影响微 晶的形成显著。所以常用浓度在7%～15%之间。冷冻温度 不仅影响冷冻动力学而且影响界面间相平衡，-20℃是常 用的冷冻温度。
物理交联法
为一次冷冻、融溶循环。用这种方法分别制备不同浓度、相同循环次
数和相同浓度、不同循环次数的PVA 水凝胶。
物理交联法
聚乙烯醇（PVA）水凝胶的制备及应用
①PVA分子量
②脱水法：是将PVA 水溶液冷冻后 但当浓度大于20%时，溶液粘度较大，分子量较大时影响微晶的形成显著。
高分子材料领域具有明显优势和巨大的应用前景。
• 缺点：力学强度不高，抗蠕变性差，同时强烈的反应条件常常造成 某些优异性能的损失。γ射线（钴源产生）辐射水凝胶材料具有操作不
辐照交联的另一独到之处在于无需添加引发剂或交联剂，产物纯度高且具有较好的光学透明度，并且在加工过程中还可同步实现消毒的 作用，辐射交联时间短，节约能源，尤其在医用高分子材料领域具有明显优势和巨大的应用前景。
特点：分子链间通过氢键和微晶区形成三维网络，即物理交联点，这些交联点随温度等外界条件的变化而变化。
凝胶的结构与性能类似于反复冻结法。 辐照交联的另一独到之处在于无需添加引发剂或交联剂，产物纯度高且具有较好的光学透明度，并且在加工过程中还可同步实现消毒的
作用，辐射交联时间短，节约能源，尤其在医用高分子材料领域具有明显优势和巨大的应用前景。 缺点：化学试剂交联由于采用交联剂，交联后有交联剂残留问题，难以得到高纯度PVA 交联产物；
③冷冻条件
有研究表明：PVA水凝胶的拉伸强度和拉伸模量随凝胶的浓 度和冷冻解冻次数的增加而增大。最高拉伸强度可达。但 当浓度大于20%时，溶液粘度较大，分子量较大时影响微 晶的形成显著。所以常用浓度在7%～15%之间。冷冻温度 不仅影响冷冻动力学而且影响界面间相平衡，-20℃是常 用的冷冻温度。
物理交联法
为一次冷冻、融溶循环。用这种方法分别制备不同浓度、相同循环次
数和相同浓度、不同循环次数的PVA 水凝胶。
物理交联法
聚乙烯醇（PVA）水凝胶的制备及应用
①PVA分子量
②脱水法：是将PVA 水溶液冷冻后 但当浓度大于20%时，溶液粘度较大，分子量较大时影响微晶的形成显著。
高分子材料领域具有明显优势和巨大的应用前景。
• 缺点：力学强度不高，抗蠕变性差，同时强烈的反应条件常常造成 某些优异性能的损失。γ射线（钴源产生）辐射水凝胶材料具有操作不
聚乙烯醇PVA水凝胶的制备及应用ppt课件
化学试剂交联 11
优点：相比物理交联，保水性和某些力学强度有 一定提高。
缺点：化学试剂交联由于采用交联剂，交联后有交 联剂残留问题，难以得到高纯度PVA 交联产物；并 且随着聚合物交联反应的进行，不断增高的溶体粘 度使交联剂在基体中的分散性较差，出现不均匀交 联，局部发生“焦烧”现象；并且化学交联难以控 制交联度。透明性不好，含水量不高。
化学试剂交联
12
影响因素： PVA聚合度、醇解度等分子结构参数 反应温度、反应时间等合成工艺参数 交联剂用量、疏水单体用量等化学组成
化学试剂交联
13
所需设备仪器（大概）： 电子天平 恒温水（油）浴箱（带磁力搅拌） 真空烘箱 相关容器等
辐射14交联
辐射交联：是利用γ- 射线、电子束、X光及紫外线 等直接辐射PVA 水溶液或辐射用物理交联法制成的 PVA 水凝胶。
物理交联法
5
冻结—部分脱水法：是将PVA 水溶液冷冻后置于真 空下脱去10%～20%的水，所得到的水凝胶的结构与 性能类似于反复冻结法。
物理交联法
特点：分子链间通过氢键和微晶区6形成三维网络，即物理交联点，这些
交联点随温度等外界条件的变化而变化。故物理交联过程是可逆的。
优点：不使用有毒性的有机交联剂，保持了良好的生物相容性，属于可 逆性水凝胶，随着环境参数的变化，可以使物理交联点改变，还可以被 溶解，方法简单。经反复解冻，水凝胶具有高强度高弹性，含水率高。
缺点：力学强度不高，抗蠕变性差，同时强烈的反应条件常 常造成某些优异性能的损失。γ射线（钴源产生）辐射水凝胶 材料具有操作不方便、辐射剂量不精确、交联程度不易控制等 问题。
辐射交联
16
影响因素：
• O2 • 添加剂 • 辐射类型 • 聚合物的结晶度 • 溶剂 • 温度等
高分子水凝胶简介PPT幻灯片课件
工业用品 面。
14
农业、土建
水凝胶材料可用在农用薄膜、农业园艺用保 水材料、污泥固化、泥水添加剂、墙壁顶棚 材料等方面。 绿化沙漠是高吸水性水凝胶材 料极有潜力的用途之一 ，可通过制成保水剂 的方式实施。
15
生物医学
• 烧伤涂敷物 • 药物传输体系 • 补齿材料 • 移植 • 隐型眼镜 • 生物分子、细胞的固定化
11
载体的接枝共聚
• 水凝胶的机械强度一般较差 ， 为了改善水凝胶的机械强度 ， 可以把水凝胶接枝到具有一定强度的载体上。
• 在载体表面产生自由基是最为有效的制备接枝水凝胶的技术 ， 单体可以共价地连接到载体上。
• 通常在载体表面产生自由基的方法有电离辐射、紫外线照射、 等离子体激化原子或化学催化游离基等，其中电离辐射技术是 最常采用的产生载体表面自由基的一种技术。
6
分类
形状大小
宏观凝胶与微观 凝胶 (微球) 之 分，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
对外界刺激的响应情况
传统的水凝胶和环境敏
感的水凝胶 。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
水凝胶的溶胀收缩行为通常用凝胶溶胀前后的质量 百分比表示 ,对于膜的溶胀也常用膜面积的变化表示。
4
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。
大多数水凝胶在溶胀状态下呈橡胶态 ，当水凝胶处于橡 胶态时 ,它的力学行为主要依赖于聚合物网络结构 ，在 足够低的温度下 ，这些凝胶失去橡胶弹性而表现为粘弹 性。
载体的接枝共聚
14
农业、土建
水凝胶材料可用在农用薄膜、农业园艺用保 水材料、污泥固化、泥水添加剂、墙壁顶棚 材料等方面。 绿化沙漠是高吸水性水凝胶材 料极有潜力的用途之一 ，可通过制成保水剂 的方式实施。
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生物医学
• 烧伤涂敷物 • 药物传输体系 • 补齿材料 • 移植 • 隐型眼镜 • 生物分子、细胞的固定化
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载体的接枝共聚
• 水凝胶的机械强度一般较差 ， 为了改善水凝胶的机械强度 ， 可以把水凝胶接枝到具有一定强度的载体上。
• 在载体表面产生自由基是最为有效的制备接枝水凝胶的技术 ， 单体可以共价地连接到载体上。
• 通常在载体表面产生自由基的方法有电离辐射、紫外线照射、 等离子体激化原子或化学催化游离基等，其中电离辐射技术是 最常采用的产生载体表面自由基的一种技术。
6
分类
形状大小
宏观凝胶与微观 凝胶 (微球) 之 分，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
对外界刺激的响应情况
传统的水凝胶和环境敏
感的水凝胶 。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
水凝胶的溶胀收缩行为通常用凝胶溶胀前后的质量 百分比表示 ,对于膜的溶胀也常用膜面积的变化表示。
4
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。
大多数水凝胶在溶胀状态下呈橡胶态 ，当水凝胶处于橡 胶态时 ,它的力学行为主要依赖于聚合物网络结构 ，在 足够低的温度下 ，这些凝胶失去橡胶弹性而表现为粘弹 性。
载体的接枝共聚
水凝胶的制备
举例吲哚美辛软膏吲哚美辛吲哚美辛100g100g交联型聚丙稀酸钠交联型聚丙稀酸钠sdblsdbl400400100g100g水凝胶基质水凝胶基质pegpeg40004000800g800g透皮吸收促进剂透皮吸收促进剂甘油甘油1000g1000g保湿剂保湿剂100ml100ml防腐剂防腐剂蒸馏水加至蒸馏水加至1000g1000gevaluationonly
膜剂（Films）
戚建平 复旦大学药剂学教研室
膜剂与涂膜剂
• • • • • 膜剂概述 成膜材料 处方组成 制备工艺 涂膜剂
膜剂概述
• 膜剂（films）
– 系指药物溶解或均匀分散于成膜材料中加工成 的薄膜制剂 – 膜剂可供口服 、口含、舌下给药，也可用于眼 结膜囊内或阴道内；外用可作皮肤或粘膜创伤、 烧伤或炎症表面的覆盖。 – 膜剂分为单层膜、多层膜（复合）与夹心膜等。 – 厚度一般为0.1~0.2μm，面积为1cm2的可供口服， 0.5cm2的供眼用。
– 聚乙烯醇（PVA）
• • • • 来源：醋酸乙烯→聚醋酸乙烯+甲醇→PVA 规格：PVA 05-88 17-88 聚合度：500~600和1700~1800，分别用05和17表示。 分子量：分别为22000~26400和78400~79200，醇解 度：均为88%±2% 。 • 应用：前者水溶性大而柔韧性差，后者水溶性小而 柔韧性好，两者以1:3混合使用。。 • 性质：对粘膜和皮肤无毒、无刺激性。吸收少，48 小时后80%随大便排出。
• 制法 • 应用 • 举例
膜剂概述
• 特点
– 优点
• • • • • • 工艺简单，生产中没有粉末飞扬； 成膜材料较其他剂型用量小； 含量准确； 稳定性好； 吸收快； 体积小、质量轻，应用、携带及运输方便。
膜剂（Films）
戚建平 复旦大学药剂学教研室
膜剂与涂膜剂
• • • • • 膜剂概述 成膜材料 处方组成 制备工艺 涂膜剂
膜剂概述
• 膜剂（films）
– 系指药物溶解或均匀分散于成膜材料中加工成 的薄膜制剂 – 膜剂可供口服 、口含、舌下给药，也可用于眼 结膜囊内或阴道内；外用可作皮肤或粘膜创伤、 烧伤或炎症表面的覆盖。 – 膜剂分为单层膜、多层膜（复合）与夹心膜等。 – 厚度一般为0.1~0.2μm，面积为1cm2的可供口服， 0.5cm2的供眼用。
– 聚乙烯醇（PVA）
• • • • 来源：醋酸乙烯→聚醋酸乙烯+甲醇→PVA 规格：PVA 05-88 17-88 聚合度：500~600和1700~1800，分别用05和17表示。 分子量：分别为22000~26400和78400~79200，醇解 度：均为88%±2% 。 • 应用：前者水溶性大而柔韧性差，后者水溶性小而 柔韧性好，两者以1:3混合使用。。 • 性质：对粘膜和皮肤无毒、无刺激性。吸收少，48 小时后80%随大便排出。
• 制法 • 应用 • 举例
膜剂概述
• 特点
– 优点
• • • • • • 工艺简单，生产中没有粉末飞扬； 成膜材料较其他剂型用量小； 含量准确； 稳定性好； 吸收快； 体积小、质量轻，应用、携带及运输方便。
水凝胶的合成及应用ppt课件
University of Science and Technology of 2C3hina
24
冷却至 50℃
2.5mlAA
搅拌均匀
PVA/CS/AA 溶液
冷却至室温， 通N2，超声 30min
均匀溶液移到培养 皿
在N2中，紫 外光下交联
60℃下，
真空干燥24h
PVA/CS水凝胶薄膜
15ml 30mM C6H12O6和 50mM NaOH
PVA/CS水凝胶薄膜
15ml 30mMAgNO3 黑暗中浸泡6小时 后，洗涤
2. Ozay, H., Sahin, O., Koc, O. K., & Ozay, O. (2016). The preparation and applications of novel phosphazene crosslinked thermo and pH responsive hydrogels. Journal of Industrial and Engineering Chemistry, 43, 28-35. doi: 10.1016/j.jiec.2016.07.043
17
2. 药物缓释水凝胶
靶向定位——千军万马夺上将首级 水水凝胶3D打印
美剧《西部世界》片头
19
3. 水凝胶3D打印
水凝胶3D打印示意
20
4. 水凝胶隐形眼镜
加拿大多伦多大学研究人员开发出 一种新型水凝胶生物材料，有助于保 持细胞活性，也能使它们更好地结合 成组织。试验显示，运用这一材料能 在一定程度上改善视力，甚至逆转失 明。
6
三、主要合成思路
31
物理交联
32
化学交联
7
1. 物理交联
24
冷却至 50℃
2.5mlAA
搅拌均匀
PVA/CS/AA 溶液
冷却至室温， 通N2，超声 30min
均匀溶液移到培养 皿
在N2中，紫 外光下交联
60℃下，
真空干燥24h
PVA/CS水凝胶薄膜
15ml 30mM C6H12O6和 50mM NaOH
PVA/CS水凝胶薄膜
15ml 30mMAgNO3 黑暗中浸泡6小时 后，洗涤
2. Ozay, H., Sahin, O., Koc, O. K., & Ozay, O. (2016). The preparation and applications of novel phosphazene crosslinked thermo and pH responsive hydrogels. Journal of Industrial and Engineering Chemistry, 43, 28-35. doi: 10.1016/j.jiec.2016.07.043
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2. 药物缓释水凝胶
靶向定位——千军万马夺上将首级 水水凝胶3D打印
美剧《西部世界》片头
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3. 水凝胶3D打印
水凝胶3D打印示意
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4. 水凝胶隐形眼镜
加拿大多伦多大学研究人员开发出 一种新型水凝胶生物材料，有助于保 持细胞活性，也能使它们更好地结合 成组织。试验显示，运用这一材料能 在一定程度上改善视力，甚至逆转失 明。
6
三、主要合成思路
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物理交联
32
化学交联
7
1. 物理交联
水凝胶简介 ppt课件
14
结构表征： FTIR-共聚程度 NMR-接枝过程 物理结构中不带有气孔的水凝胶为两相，即高分子固体与
水；而带有气孔的水凝胶为三相：高分子固体，水，空气 每种相结构都对水凝胶的物理性能有影响，如密度、折射
率、机械性能。气体对力学强度有负面影响，然而，如果 气孔之间彼此相连则水凝胶有利于水的吸收。可形成超吸 水性水凝胶（气体含量有30%）。 孔隙率、气孔尺寸、尺寸分布对水凝胶的溶胀、力学性能 有重要影响。SEM
4
除单体制备水凝胶之外的其他合成方法
原理：水凝胶结构的扩张 溶胶转变为凝胶的过程 通过物理作用——氢键(聚乙烯醇)、离子键等 Monomers, such as N-isopropylacrylamide, that
contain hydrophobic groups, in aqueous solutions, aggregate at certain temperatures, displaying a hydrosol/hydrogels transition. 聚丙烯酰胺与聚丙烯酸共混可形成水凝胶，原因是 两者之间的官能团相互作用。
18
水凝胶材料在医药中的应用
1.不产生血栓，可以在医药中应用 2.对某种特殊的分子响应，作为生物传感器 举几个例子 1）聚天冬氨酸水凝胶可以代替聚丙烯酸水凝胶用
于医药[27] 2）聚天冬氨酸与聚丙烯酸水凝胶合金具有pH相应，
离子相应的特点，因此可以在生物领域中有相关应 用[28] 3）羧甲基纤维素钠与羟乙基纤维素钠在二乙烯基 砜作用下形成的合金可以用于水肿条件下的利尿剂 [29] 4）高碘酸蔗糖交联的壳聚糖可用作伤口敷料[30]
21
11
Swelling mechanism
水凝胶的吸水性能与许多因素有关： network parameters, nature of the solution, hydrogel
结构表征： FTIR-共聚程度 NMR-接枝过程 物理结构中不带有气孔的水凝胶为两相，即高分子固体与
水；而带有气孔的水凝胶为三相：高分子固体，水，空气 每种相结构都对水凝胶的物理性能有影响，如密度、折射
率、机械性能。气体对力学强度有负面影响，然而，如果 气孔之间彼此相连则水凝胶有利于水的吸收。可形成超吸 水性水凝胶（气体含量有30%）。 孔隙率、气孔尺寸、尺寸分布对水凝胶的溶胀、力学性能 有重要影响。SEM
4
除单体制备水凝胶之外的其他合成方法
原理：水凝胶结构的扩张 溶胶转变为凝胶的过程 通过物理作用——氢键(聚乙烯醇)、离子键等 Monomers, such as N-isopropylacrylamide, that
contain hydrophobic groups, in aqueous solutions, aggregate at certain temperatures, displaying a hydrosol/hydrogels transition. 聚丙烯酰胺与聚丙烯酸共混可形成水凝胶，原因是 两者之间的官能团相互作用。
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水凝胶材料在医药中的应用
1.不产生血栓，可以在医药中应用 2.对某种特殊的分子响应，作为生物传感器 举几个例子 1）聚天冬氨酸水凝胶可以代替聚丙烯酸水凝胶用
于医药[27] 2）聚天冬氨酸与聚丙烯酸水凝胶合金具有pH相应，
离子相应的特点，因此可以在生物领域中有相关应 用[28] 3）羧甲基纤维素钠与羟乙基纤维素钠在二乙烯基 砜作用下形成的合金可以用于水肿条件下的利尿剂 [29] 4）高碘酸蔗糖交联的壳聚糖可用作伤口敷料[30]
21
11
Swelling mechanism
水凝胶的吸水性能与许多因素有关： network parameters, nature of the solution, hydrogel
医用高分子水凝胶的设计与合成 ppt课件
医用高分子水凝胶的设计与合成
化学交联的设计与合成
1.自由甚共聚反应交联
自由基共聚反应交联是迄今用于医用高分子水凝胶 设计和制备的最常用方法。
依赖于所需的合成原料化学结构与性能特点，两种 主要的途径被广泛采用:
一、通过一种或多种低分子量烯类单体在交联剂存 在下直接进行交联共聚反应;
二、先使原本不具聚合反应活性的一些水溶性聚合 物转变为含可聚合反应基团的衍生物、再进行交联共 聚反应。
溶胀度：一定温度下，单位质量或体积的凝胶所能吸收液体 的极限量
pH敏水凝胶：聚合物的溶胀与收缩随弧环境的pH、离子强 度 变化而变化
阴离子水凝胶平衡溶胀度随pH增大而增大，阳离子型则随 pH增大而降低
温敏及pH双重敏感凝胶 将pH敏单体和温敏单体通过接枝和嵌段共聚或用互穿网络技
术合成的互穿网络水凝胶 N,N－二异丙基丙烯酰胺、 N,N-二甲基丙烯酰胺、油酸三元
医用高分子水凝胶的设计与合 成
医用高分子水凝胶的设计与合成
凝胶与功能水凝胶
1 凝胶的结构和性质 定义：gel是指溶胀的三维网状结构高分子，在高聚 物间相互连接形成的网状空隙中填充了液体介质. 水凝胶：液体介质为水，由水溶性或亲水性高聚物组 成.吸水性强，保水性能强,一般压力难以排除.
医用高分子水凝胶的设计与合成
共聚胶由于直接与生物系统相作用，除需 具备一般理化性能要求外，还需满足下述一些特殊性 能要求:
①水凝胶本身无毒，不致癌、不致崎，不引起人体细 胞的突变和不良组织反应; ②具有良好的生物或组织相容性，不引起中毒、溶血、 凝血、发热和过敏等现象; ③具有与人体天然组织相适应的力学性能; ④针对不同的使用目的而具有特定的功能。
形状记忆水凝胶 温敏水凝胶：在水或水溶液中凝胶的溶胀与收缩强烈依赖温度
化学交联的设计与合成
1.自由甚共聚反应交联
自由基共聚反应交联是迄今用于医用高分子水凝胶 设计和制备的最常用方法。
依赖于所需的合成原料化学结构与性能特点，两种 主要的途径被广泛采用:
一、通过一种或多种低分子量烯类单体在交联剂存 在下直接进行交联共聚反应;
二、先使原本不具聚合反应活性的一些水溶性聚合 物转变为含可聚合反应基团的衍生物、再进行交联共 聚反应。
溶胀度：一定温度下，单位质量或体积的凝胶所能吸收液体 的极限量
pH敏水凝胶：聚合物的溶胀与收缩随弧环境的pH、离子强 度 变化而变化
阴离子水凝胶平衡溶胀度随pH增大而增大，阳离子型则随 pH增大而降低
温敏及pH双重敏感凝胶 将pH敏单体和温敏单体通过接枝和嵌段共聚或用互穿网络技
术合成的互穿网络水凝胶 N,N－二异丙基丙烯酰胺、 N,N-二甲基丙烯酰胺、油酸三元
医用高分子水凝胶的设计与合 成
医用高分子水凝胶的设计与合成
凝胶与功能水凝胶
1 凝胶的结构和性质 定义：gel是指溶胀的三维网状结构高分子，在高聚 物间相互连接形成的网状空隙中填充了液体介质. 水凝胶：液体介质为水，由水溶性或亲水性高聚物组 成.吸水性强，保水性能强,一般压力难以排除.
医用高分子水凝胶的设计与合成
共聚胶由于直接与生物系统相作用，除需 具备一般理化性能要求外，还需满足下述一些特殊性 能要求:
①水凝胶本身无毒，不致癌、不致崎，不引起人体细 胞的突变和不良组织反应; ②具有良好的生物或组织相容性，不引起中毒、溶血、 凝血、发热和过敏等现象; ③具有与人体天然组织相适应的力学性能; ④针对不同的使用目的而具有特定的功能。
形状记忆水凝胶 温敏水凝胶：在水或水溶液中凝胶的溶胀与收缩强烈依赖温度
聚乙烯醇(PVA)水凝胶的制备及应用ppt课件
8
物理交联法
所需设备仪器（大概）： •电子天平 •恒温水（油）浴箱（带磁力搅拌） •恒温磁力搅拌器 •相关模具 •冷冻存储箱or冰箱 •相关容器等
9
化学交联法
• 化学试剂交联：是采用化学交联剂使得PVA 分子 间发生化学交联而形成凝胶, 常用的交联剂有醛 类、硼酸、环氧氯丙烷以及可以与PVA 通过配位 络合形成凝胶的重金属盐等等。
2
PVA水凝胶的制备方法
物理交联法
反复冷冻法 冻结—部分脱水法
化学交联法
化学试剂交联 辐射交联
3
物理交联法
• 反复冷冻法：按配比称取PVA, 量取去离子水, 把PVA
在搅拌条件下, 置85~ 90 ℃（可 静置保温30min，以除去 溶液中的气泡），放入- 20 ℃ （可根据不同情况进行调节） 的冰箱里, 冷冻24 h （可根据不同情况进行调节）, 在室温 下解冻1 h （可根据不同情况进行调节）, 称为一次冷冻、 融溶循环。用这种方法分别制备不同浓度、相同循环次数和 相同浓度、不同循环次数的PVA 水凝胶。
③冷冻条件
有研究表明：PVA水凝胶的拉伸强度和拉伸模量随凝胶的 浓度和冷冻解冻次数的增加而增大。最高拉伸强度可达 2.27MPa。但当浓度大于20%时，溶液粘度较大，分子量 较大时影响微晶的形成显著。所以常用浓度在7%～15% 之间。冷冻温度不仅影响冷冻动力学而且影响界面间相 平衡，-20℃是常用的冷冻温度。
聚乙烯醇（PVA）水凝胶的制 备及应用
1
PVA水凝胶
聚乙烯醇（PVA）是一种应用极为广泛的水溶 性高分子材料。而以其为原料制备的水凝胶是以水 为介质的凝胶，是一种高分子网络体系，它能保持 一定的形状并具有一系列独特性能。PVA水凝胶除了 具备一般凝胶的性能外，还具有低毒性、机械性能 良好(高弹性模量和高机械强度)、吸水量大和生物 相容性好等优点，在生物医学领域具有广泛的应用。
物理交联法
所需设备仪器（大概）： •电子天平 •恒温水（油）浴箱（带磁力搅拌） •恒温磁力搅拌器 •相关模具 •冷冻存储箱or冰箱 •相关容器等
9
化学交联法
• 化学试剂交联：是采用化学交联剂使得PVA 分子 间发生化学交联而形成凝胶, 常用的交联剂有醛 类、硼酸、环氧氯丙烷以及可以与PVA 通过配位 络合形成凝胶的重金属盐等等。
2
PVA水凝胶的制备方法
物理交联法
反复冷冻法 冻结—部分脱水法
化学交联法
化学试剂交联 辐射交联
3
物理交联法
• 反复冷冻法：按配比称取PVA, 量取去离子水, 把PVA
在搅拌条件下, 置85~ 90 ℃（可 静置保温30min，以除去 溶液中的气泡），放入- 20 ℃ （可根据不同情况进行调节） 的冰箱里, 冷冻24 h （可根据不同情况进行调节）, 在室温 下解冻1 h （可根据不同情况进行调节）, 称为一次冷冻、 融溶循环。用这种方法分别制备不同浓度、相同循环次数和 相同浓度、不同循环次数的PVA 水凝胶。
③冷冻条件
有研究表明：PVA水凝胶的拉伸强度和拉伸模量随凝胶的 浓度和冷冻解冻次数的增加而增大。最高拉伸强度可达 2.27MPa。但当浓度大于20%时，溶液粘度较大，分子量 较大时影响微晶的形成显著。所以常用浓度在7%～15% 之间。冷冻温度不仅影响冷冻动力学而且影响界面间相 平衡，-20℃是常用的冷冻温度。
聚乙烯醇（PVA）水凝胶的制 备及应用
1
PVA水凝胶
聚乙烯醇（PVA）是一种应用极为广泛的水溶 性高分子材料。而以其为原料制备的水凝胶是以水 为介质的凝胶，是一种高分子网络体系，它能保持 一定的形状并具有一系列独特性能。PVA水凝胶除了 具备一般凝胶的性能外，还具有低毒性、机械性能 良好(高弹性模量和高机械强度)、吸水量大和生物 相容性好等优点，在生物医学领域具有广泛的应用。
聚乙烯醇(PVA)水凝胶的制备及应用
精选
2
PVA水凝胶的制备方法
物理交联法
反复冷冻法 冻结—部分脱水法
化学交联法
化学试剂交联 辐射交联
精选
3
物理交联法
•反复冷冻法：按配比称取PVA, 量取去离子水, 把PVA
在搅拌条件下, 置85~ 90 ℃（可根据不同情况进行调节）恒 温油浴中溶解完全,（也可在60 ℃ 静置保温30min，以除去 溶液中的气泡），放入- 20 ℃ （可根据不同情况进行调节） 的冰箱里, 冷冻24 h （可根据不同情况进行调节）, 在室温下 解冻1 h （可根据不同情况进行调节）, 称为一次冷冻、融溶 循环。用这种方法分别制备不同浓度、相同循环次数和相同 浓度、不同循环次数的PVA 水凝胶。
精选
4
物理交联法
•冻结—部分脱水法：是将PVA 水溶液冷冻后 置于真空下脱去10%～20%的水，所得到的水 凝胶的结构与性能类似于反复冻结法。
精选
5
物理交联法
特点：分子链间通过氢键和微晶区形成三维网络，即物理交联点，
这些交联点随温度等外界条件的变化而变化。故物理交联过程是 可逆的。
优点：不使用有毒性的有机交联剂，保持了良好的生物相容性， 属于可逆性水凝胶，随着环境参数的变化，可以使物理交联点改 变，还可以被溶解，方法简单。经反复解冻，水凝胶具有高强度 高弹性，含水率高。
物理交联法
所需设备仪器（大概）： •电子天平 •恒温水（油）浴箱（带磁力搅拌） •恒温磁力搅拌器 •相关模具 •冷冻存储箱or冰箱 •相关容器等
精选
9
化学交联法
• 化学试剂交联：是采用化学交联剂使得PVA
分子间发生化学交联而形成凝胶, 常用的交联
剂有醛类、硼酸、环氧氯丙烷以及可以与PVA
水凝胶PPT课件
水凝胶在药用高分子材料 中的应用
1
• 水凝胶（Hydrogel） 以水为分散介 质的凝胶。具有交联结构的水溶性高分 子中引入一部分疏水基团而形成能遇水 膨胀的交联聚合物。是一种高分子网络 体系，性质柔软，能保持一定的形状， 能吸收大量的水。凡是水溶性或亲水性 的高分子，通过一定的化学交联或物理 交联，都可以形成水凝胶
2
一 水凝胶的分类
分类 对外界 刺激的 反应情况
来源
性质
天然 水凝胶
合成 水凝胶ຫໍສະໝຸດ 电中性 水凝胶离子型 水凝胶
传统的 水凝胶
环境敏感 水凝胶
• 传统的水凝胶 这类水凝胶对环境的变 化， 如pH或温度的变化不敏感
3
• 环境敏感水凝胶 这类水凝胶对温度或 pH等环境因素的变化所给予的刺激有非 常明确或显著的应答 • 目前研究得最多的是温敏型和pH敏水 凝胶。所谓温敏是指在水或水溶液中这 种凝胶的溶胀与收缩强烈的依赖于温度， 凝胶体积在某一温区有突变，该温度称 为低临界溶液温度（lower critical solution temperature，LCST）。pH敏 感水凝胶是指聚合物溶胀与收缩随着环 境的pH、离子强度的变化而变化。
11
2、水性软膏基质
• • • • • 软膏通用处方： 明胶 30g(10%--30%), 甘油 25g (10%--30%)， 药物 10g 水 35g
甘油明胶 （glycerogelatinum） 纤维素衍生物 MC,CMC-Na等
12
聚乙二醇类 （PEG）
•纤维素的合成衍生物。 •水溶液浓度较高时为凝胶， •呈中性，性质稳定，不易 腐败，一般不需加防腐剂。
第一阶段是溶剂分子钻入凝胶中与大分子相互作用形成溶剂化层此过程很快伴有放热效应和体积收缩现象指凝胶体积的增加比吸收的液体体积小是溶剂分子钻入凝胶中与大分子相互作用形成溶剂化层此过程很快伴有放热效应和体积收缩现象指凝胶体积的增加比吸收的液体体积小第二阶段是液体分子的继续渗透这时凝胶体积大大增加是液体分子的继续渗透这时凝胶体积大大增加溶胀性的大小可用溶胀度swellingcapacity来衡量溶胀度为一定温度下单位重量或体积的凝胶所能吸收的液体的极量112mmmqm?或00vvvq?qm为质量溶胀度q为体积溶胀度mm1mm22分别为溶胀前后凝胶的质量v分别为溶胀前后凝胶的质量v0v为溶胀前后的体积溶胀度倒数对时间倒数溶胀度测定装置图二环境敏感性环境敏感水凝胶又称智能水凝胶smarthydrogels根据环境变化的类型不同环境敏感水凝胶又分为如下几种类型
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• 水凝胶（Hydrogel） 以水为分散介 质的凝胶。具有交联结构的水溶性高分 子中引入一部分疏水基团而形成能遇水 膨胀的交联聚合物。是一种高分子网络 体系，性质柔软，能保持一定的形状， 能吸收大量的水。凡是水溶性或亲水性 的高分子，通过一定的化学交联或物理 交联，都可以形成水凝胶
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一 水凝胶的分类
分类 对外界 刺激的 反应情况
来源
性质
天然 水凝胶
合成 水凝胶ຫໍສະໝຸດ 电中性 水凝胶离子型 水凝胶
传统的 水凝胶
环境敏感 水凝胶
• 传统的水凝胶 这类水凝胶对环境的变 化， 如pH或温度的变化不敏感
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• 环境敏感水凝胶 这类水凝胶对温度或 pH等环境因素的变化所给予的刺激有非 常明确或显著的应答 • 目前研究得最多的是温敏型和pH敏水 凝胶。所谓温敏是指在水或水溶液中这 种凝胶的溶胀与收缩强烈的依赖于温度， 凝胶体积在某一温区有突变，该温度称 为低临界溶液温度（lower critical solution temperature，LCST）。pH敏 感水凝胶是指聚合物溶胀与收缩随着环 境的pH、离子强度的变化而变化。
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2、水性软膏基质
• • • • • 软膏通用处方： 明胶 30g(10%--30%), 甘油 25g (10%--30%)， 药物 10g 水 35g
甘油明胶 （glycerogelatinum） 纤维素衍生物 MC,CMC-Na等
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聚乙二醇类 （PEG）
•纤维素的合成衍生物。 •水溶液浓度较高时为凝胶， •呈中性，性质稳定，不易 腐败，一般不需加防腐剂。
第一阶段是溶剂分子钻入凝胶中与大分子相互作用形成溶剂化层此过程很快伴有放热效应和体积收缩现象指凝胶体积的增加比吸收的液体体积小是溶剂分子钻入凝胶中与大分子相互作用形成溶剂化层此过程很快伴有放热效应和体积收缩现象指凝胶体积的增加比吸收的液体体积小第二阶段是液体分子的继续渗透这时凝胶体积大大增加是液体分子的继续渗透这时凝胶体积大大增加溶胀性的大小可用溶胀度swellingcapacity来衡量溶胀度为一定温度下单位重量或体积的凝胶所能吸收的液体的极量112mmmqm?或00vvvq?qm为质量溶胀度q为体积溶胀度mm1mm22分别为溶胀前后凝胶的质量v分别为溶胀前后凝胶的质量v0v为溶胀前后的体积溶胀度倒数对时间倒数溶胀度测定装置图二环境敏感性环境敏感水凝胶又称智能水凝胶smarthydrogels根据环境变化的类型不同环境敏感水凝胶又分为如下几种类型
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10.0g 10.0g
80.0g 100.0g 10.0ml 1000g
主药 水凝胶基质
透皮吸收促进剂 保湿剂 防腐剂
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膜剂（Films）
戚建平 复旦大学药剂学教研室
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膜剂与涂膜剂
• 膜剂概述 • 成膜材料 • 处方组成 • 制备工艺 • 涂膜剂
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膜剂概述
• 膜剂（films）
– 系指药物溶解或均匀分散于成膜材料中加工成 的薄膜制剂
大家好
1
凝胶剂
2
凝胶剂
• 概述 • 水凝胶剂基质 • 水凝胶剂制备
3
概述
• 凝胶剂（Gels）
– 指药物与能形成凝胶剂的辅料制成的均一、混悬或乳 剂型的胶状稠厚液体或半固体制剂
• 分类
– 按作用部位
• 全身用 • 局部用
– 按分散系统
• 单相
– 水性 – 油性
• 双相
4
概述
• 水性凝胶剂的基质：西黄芪胶、明胶、淀 粉、纤维素衍生物、聚羧乙烯（Carbomer） 和海藻酸钠等加水、甘油或丙二醇等制成；
• 油性凝胶剂的基质：由液状石蜡与聚氧乙 烯或脂肪油与胶体硅或铝皂、锌皂构成。
5
水凝胶（Hydrogel）基质
• 常用的有卡波姆、海藻酸钠和纤维素衍生 物等。
• 大多在水中溶胀成水凝胶而不溶解。 • 具有易涂展、洗除，无油腻感，能吸收组
织渗出液，不妨碍皮肤正常功能，稠度小 而利于释药等特点。 • 缺点：润滑作用差，易失水和霉变，常需 添加保湿剂和防腐剂。
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制备工艺
• 匀浆制膜法 (PVA)
大量生产 流延法 涂膜法
成膜材料浆液 → 加入药物、 着色剂等 → 脱泡 → 涂膜 → 干燥 → 脱膜 → 含量测 定 → 包装
小量制备 刮板法
• 热塑制膜法 (EVA) • 复合制膜法
– （一般用于缓释膜的制备）
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涂膜剂
• 涂膜剂（Paints）
– 系指将高分子成膜材料及药物溶解在挥发性有 机溶剂中制成的可涂布成膜的外用胶体溶液制 剂。
6
水凝胶（Hydrogel）基质
• 甘油明胶
– 甘油10-30% – 明胶1-3% – 加水至100% – 加热制成
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水凝胶基质
• 卡波姆（Carbomer）
– 系由丙烯酸与丙烯基蔗糖交联的高分子聚合物， 商品 名为卡波普(carbopol)。
– 按粘度分规格：934、940、941等 – 特点：
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处方组成
• 主药0~70%(W/W)源自• 成膜材料(PVA )等
30~100%
• 增塑剂(甘油、山梨醇)
0~20%
• 表面活性剂(聚山梨酯80、十二烷基硫酸钠) 1~2%
• 填充剂(CaCO3、SiO2、淀粉) • 着色剂(色素，TiO2等)
0~20% 0~2%(W/W)
• 脱膜剂(液体石蜡)
适量
– 缺点
• 载药量小，只适合于小剂量的药物，而且其重量差异不 易控制，收率不高。
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成膜材料
• 具备的条件
– 生理惰性，无毒，无刺激； – 性能稳定，不降低主药药效，不干扰含量测定，
无不适嗅味； – 成膜、脱膜性能好，成膜后有足够的强度和柔
韧性； – 用于口服、腔道、眼用膜剂的成膜材料应具有
良好的水溶性，能逐渐降解、吸收或排泄；外 用膜剂应能迅速完全释放药物； – 来源丰富，价格便宜。
– 膜剂可供口服 、口含、舌下给药，也可用于眼 结膜囊内或阴道内；外用可作皮肤或粘膜创伤、 烧伤或炎症表面的覆盖。
– 膜剂分为单层膜、多层膜（复合）与夹心膜等。 – 厚度一般为0.1~0.2μm，面积为1cm2的可供口服，
0.5cm2的供眼用。
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膜剂概述
• 特点
– 优点
• 工艺简单，生产中没有粉末飞扬； • 成膜材料较其他剂型用量小； • 含量准确； • 稳定性好； • 吸收快； • 体积小、质量轻，应用、携带及运输方便。
• 引湿性很强的白色松散粉末 • 可以在水中迅速溶胀，但不溶解 • 当用碱中和时，随大分子的不断溶解，粘度逐渐上
升，在低浓度时形成澄明溶液，浓度较大时形成半 透明的凝胶
8
水凝胶基质
• 卡波姆
三乙醇胺或 NaOH中和
1％水分散液 pH3.11， 粘度较低
逐渐溶解，粘度↑ 低浓度：澄明溶液 高浓度：半透明凝胶
pH6~11,粘度和稠度最大
中和1g卡波姆约需1.35g三乙醇胺或400mgNaOH
9
水凝胶基质
• 卡波姆
– 本品制成的基质无油腻感，使用润滑舒适，特 别适宜于治疗脂溢性皮肤病。
– 配伍禁忌：盐类电解质、碱土金属离子以及阳 离子聚合物、强酸等
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水凝胶基质
• 卡波姆基质处方
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水凝胶基质
• 纤维素衍生物
• 常用品种
– 聚乙烯醇（PVA）
• 来源：醋酸乙烯→聚醋酸乙烯+甲醇→PVA • 规格：PVA 05-88 17-88 • 聚合度：500~600和1700~1800，分别用05和17表示。 • 分子量：分别为22000~26400和78400~79200，醇解
度：均为88%±2% 。 • 应用：前者水溶性大而柔韧性差，后者水溶性小而
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成膜材料
• 种类
– 天然高分子
• 明胶、虫胶、阿拉伯胶、琼脂、淀粉、糊精 • 特点：可降解或溶解，但成膜、脱模性能较差，常
与其他材料合用。
– 合成高分子
• 聚乙烯醇（PVA）
– 特点：成膜性能优良，成膜后的强度与柔韧性均较好。
• 纤维素衍生物
– HPMC、CMC-Na、HPC、CA
20
成膜材料
柔韧性好，两者以1:3混合使用。。 • 性质：对粘膜和皮肤无毒、无刺激性。吸收少，48
小时后80%随大便排出。
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成膜材料
• 乙烯-醋酸乙烯共聚物(EVA)
– 来源：乙烯 + 醋酸乙烯→EVA – EVA的性能与其分子量及醋酸乙烯的 含量有很
大关系。 – 本品成膜性能良好，膜柔软，强度大，常用于
制备眼、阴道、子宫等控释膜剂。
• 制法 • 应用 • 举例
25
– 水中溶胀或溶解为胶性物 – 调节适宜的稠度可形成水溶性软膏基质 – 常用的品种有甲基纤维素（MC）和羧甲基纤
维素钠(CMC-Na) – 两者常用的浓度为2％－6％
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水凝胶的制备
• 一般制法
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水凝胶的制备
• 举例-吲哚美辛软膏
吲哚美辛 交联型聚丙稀酸钠 （SDBL-400) PEG-4000 甘油 苯扎溴铵 蒸馏水加至