高分子水凝胶
高分子凝胶
高分子凝胶的应用
常规做法是:将药物包埋在水凝胶或由其制成的微胶 囊中 ,包埋药物的释放速度可经由凝胶体积的调控 来实现。 随着科学的发展、技术的进步，人们对疾病的治疗 效果和手段的要求也越来越高。就药物控释系统来 说，提高药效、简化用药方式一直是人们努力的方 向。智能性高分子凝胶具有其刺激响应性能，可以 很好地满足定位释放、对疾病刺激产生响应性释放 及人为进行某种目的释放，这对药物控释系统的研 究和应用具有重要的推动作用，将成为控释系统的 主要研究方向。
高分子凝胶的定义
• 高分子凝胶的三维网 络结构示意图
• 高分子凝胶的交联网 络点，可以是化学 的、由共价键组成， 也可以是物理交联， 如结晶等。
高分子凝胶的分类
根据高分子网络里所含的溶剂分类： 水凝胶
高分子凝胶
有机凝胶பைடு நூலகம்
高分子凝胶的分类
水凝胶是最常见也是最为重要的一种。 绝大多数的生物、植物内存在的天然凝胶以 及许多合成高分子凝胶均属于水凝胶。而且 生物凝胶具有出色的智能性和高强度。智能 型水凝胶(intelligent Hydrogels or smart Hydrogels)是一类对外界刺激能产生敏感响 应的水凝胶。
高分子凝胶的应用
基于智能型水凝胶的可控溶胀收缩 , 人们制作了一种 温控化学阀 , 将丙烯酰脯氨酸甲酯 与双烯丙基碳酸 二甘醇酯 按 6∶4 摩尔比共聚 ,得到聚合物膜 ,然后 将此膜在NaOH 溶液中用离子束技术蚀刻得到多孔 膜。显微观察发现膜孔道在 0 ℃时完全关闭 ,30 ℃ 时完全开放。将丙烯酸与丙烯酸正硬酯酰醇酯共聚 得到了一种具有形状记忆功能的温敏水凝胶。这种 材料的形状记忆本质在于长链硬脂酰侧链的有序、 无序可逆变化。基于这种材料他们设计制作了另一 种温控化学阀。施加电场时 ,膜孔径增大 ,撤去电场 后 ,膜重新溶胀 ,由此可以控制膜的开、关或孔径大 小。
智能高分子及水凝胶的响应性及其应用
2、挑战
2、挑战
仿生智能高分子水凝胶材料仍面临以下挑战：首先，材料的物理化学性质需 要进一步优化，以提高其生物相容性和细胞黏附性；其次，材料的机械性能需要 进一步提高，以适应更为复杂和严苛的应用环境；最后，材料的降解性能需要进 一步调控，从而实现材料的可降解性和生物相容性的平衡。
3、未来发展方向
智能高分子及水凝胶的响应 性及其应用
01 引言
03 应用领域
目录
02 响应性分析 04 参考内容
引言
引言
智能高分子和水凝胶是一类能够对外界刺激产生响应的特殊材料。它们具备 优越的适应性、敏感性和智能性，因此被广泛应用于各个领域。本次演示将重点 探讨智能高分子和水凝胶的响应性及其在组织工程、药物传输、传感器和结构改 性等方面的应用，并对未来发展进行展望。
五、结论
五、结论
仿生智能高分子水凝胶材料的设计制备及其生物应用具有重要的意义。这种 材料具有良好的生物相容性、细胞黏附性和智能响应性，可以作为药物载体、细 胞培养基质和组织工程支架等。未来，随着科学技术的不断发展和进步，仿生智 能高分子水凝胶材料将有望在生物医学领域发挥更为重要的作用。
谢谢观看
4、结构改性
2、拓展刺激种类：目前，大多数智能高分子和水凝胶主要对一种刺激产生响 应。未来可以研究能够同时对多种刺激产生响应的材料，提高其应用范围。
4、结构改性
3、实现多级响应：未来的智能高分子和水凝胶可以实现在不同层次上的响应， 例如微观结构和宏观形状的双重响应。这将有助于进一步拓展其应用领域，例如 在软机器人制造和仿生工程中发挥作用。
三、仿生智能高分子水凝胶材料 的生物应用
1、细胞培养
1、细胞培养
仿生智能高分子水凝胶材料可以作为细胞培养基质，提供细胞生长所需的营 养和环境。这种材料可以模拟生物组织的结构和功能，有利于细胞的黏附、增殖 和分化。同时，通过调节材料的物理化学性质，可以控制细胞的生长和分化，从 而应用于药物筛选和疾病治疗研究。
高分子水凝胶综述
高分子水凝胶综述摘要在这篇综述中，笔者以高分子水凝胶为探究的领域，围绕其产生、发展、应用等诸方面，浅层次地加以论述。
论文大体的探讨方式是这样：首先以高分子水凝胶的出现为基点，考察其定义的由来以及与吸水树脂之间的关系；然后以高分子水凝胶潜在应用价值的属性为导向线，对其进行分类，讨论相应的制备方法和水凝胶性能各类表征方法；接着突出强调环境敏感性水凝胶的制备及响应原理；而水凝胶实际应用及缺陷则作为最后系统概括。
关键词：高分子水凝胶应用性能制备产生、定义与比较高分子水凝胶的合成可以追溯到20世纪50年代后期，Wichterle和Lim合成了第一个医用甲基丙烯酸羟乙酯（HEMA）水凝胶[1]。
对于高分子水凝胶的定义，各个文献报道的都很接近，即由带有化学或物理交联的亲水性高分子链形成的三维固体网络[2]，在水环境下高分子水凝胶能够发生吸水溶胀，甚至有的吸水能超过其自重好多倍（图1）图1凝胶吸水溶胀前与溶胀后的比较（左侧为吸水溶胀后，右侧为吸水溶胀前）同时，笔者发现，高分子水凝胶与吸水树脂之间的关联需要被加以认知。
吸水树脂本身就是一种新型功能高分子材料，具有亲水基团，能吸收大量水分而又能保持水分不外流。
当水分子通过扩散作用及毛细作用进入到树脂中时，形成的树脂即称为高分子水凝胶。
也就是说，吸水树脂是高分子水凝胶的前身，且当树脂经吸水后才成为水凝胶。
此外，对于高分子水凝胶的吸水并且保水的机理也需要加以阐述。
从化学结构上来分析，凝胶是分子中含有亲水性基团和疏水性基团的交联型高分子。
在凝胶的交联网格里，必然存在很多疏水性基团朝外，亲水性基团朝里的结构，在这样的结构下，亲水性基团与水分子以氢键等方式进行结合，疏水性基团在外头形成的屏障可以有效地间隔不同的内亲水网格，起到容纳水分子容器的作用（图2）。
OOH R O H R OO H R O OH RO OH R O OHR OOH R OHH图2 凝胶保持水分子示意图图2中，右下侧的疏水性基团是朝内的，这表明凝胶亲水性网格结构内部也是含有非亲水性基团的；而水分子与亲水链上的氧之间形成了氢键。
高分子水凝胶
高分子水凝胶凝胶是指溶胀的三维网状结构高分子。
即聚合物分子间相互连结，形成空间网状结构，而在网状结构的孔隙中又填充了液体介质。
药用的凝胶大部分是水凝胶（hydrogel），它们通过制剂的形式进入体内后吸收体液自发形成。
水凝胶是指一种在水中能显著溶胀、保持大量水分的亲水性凝胶，为三维网络结构，多数水凝胶网络中可容纳高分子本身重量的数倍至数百倍的水，它不同于疏水性的高分子网络如聚乳酸和聚乙醇酸（只有有限的吸水能力，吸水量不到10%）。
水凝胶中的水有两种存在状态。
靠近网络的水与网络有很强的作用力，这种水在极低温度下又有冻结的和不冻结之分，而离网络比较远的水与普通水性质相似称为自由水。
影响水凝胶形成的主要因素有浓度、温度和电解质。
每种高分子溶液都有一个形成凝胶的最小浓度，小于这个浓度则不能形成凝胶，大于这个浓度可加速凝胶。
对温度来说，温度低，有利于凝胶，分子形状愈不对称，可胶凝的浓度越小，但也有些高分子材料加热后胶凝，低温变成溶液。
电解质对胶凝的影响有促进作用也有阻止作用，其中阴离子起主要作用。
水凝胶从来源分类，可分为天然水凝胶和合成水凝胶；从性质来分类，可分为电中性水凝胶和离子型水凝胶，离子型水凝胶又可分为阴离子型、阳离子型和两性电解质型水凝胶。
根据水凝胶对外界刺激应答情况不同，水凝胶又可分为两类：①传统的水凝胶，这类水凝胶对环境的变化，如PH或温度变化不敏感；②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和显著的应答。
不同结构、不同化合物的水凝胶具有不同的物理化学性质如溶胀性、触变性、环境敏感性和黏附性等：（一）溶胀性：水凝胶在水中可显著溶胀。
溶胀性是指凝胶吸收液体后自身体积明显增大的现象，这是弹性凝胶的重要特性，凝胶的溶胀可分为两个阶段：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）；第二阶段是液体分子的继续渗透，这时凝胶体积大大增加。
水凝胶在药用高分子材料中的应用
三 粘附性
在现代新型的药物制剂中为了通过粘附作用达到长效、缓释 和靶向给药的而目的额，往往使用聚合水凝胶，以达到在生 物体上粘附的母的。
1 生物粘附 指的是在两个生物体表面之间形成任何结合，或一个生物的
表面与另一外一个外来天然或材料便面黏结的总称在药剂学 中生物黏附一般是用来描述聚合物（包括合成的以及天然的 ）与软组织（如胃肠道的膜、口腔、皮肤）之间的黏附作用 。
1、包衣：药物用小丸或片剂用的阻滞材料包衣 2、制成微囊：使用微囊技术制备缓控释制剂是较新的方法 3、制成不溶性骨架片：以水不溶性材料为骨架制备的片剂 4、增加粘度以减少扩散速度：主要用于注射液或其它液体制剂 5、制成植入剂 6、制成乳剂
三溶蚀与扩散、溶出结合：生物溶蚀性骨 架系统、亲水凝胶骨架系统、膨胀型控释 骨架
将制剂用于黏膜时，黏附现象存在以下几种情况： 干的或部分水化的药物制剂与大量的黏液层得表面 接触（颗粒剂用于鼻腔）；已经充分水化的药物制 剂与大量的黏液层得表面接触（水性混悬制剂用于 肠道）;干的或部分水化的药物制剂与薄的或不连续 的表面接触（某些局部用片剂或贴片用于口腔或阴 道）；已经充分水化地剂型与薄的或不连续性的黏 膜层表面接触（水性半固体或液体微粒制剂用于口 腔或阴道。
水凝胶是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 基团而形成能遇水一定的化学交联或物理 交联，都可以形成膨胀的交联聚合物。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，通过水凝胶。
这些高分子按其来源可分为天然和合成两大类。天然的 亲水性高分子包括多糖类（淀粉、纤维素、海藻酸、透 明质酸，壳聚糖等）和多肽类（胶原、聚L-赖氨酸、聚 L-谷胺酸等）。合成的亲水高分子包括聚乙烯醇、 丙烯 酸及其衍生物类（聚丙烯酸，聚甲基丙烯酸，聚丙烯酰 胺，聚N-聚代丙烯酰胺等）。 作为一种高吸水高保 水材料，水凝胶被广泛用于多种领域，如：干旱地区的 抗旱，在化妆品中的面膜、退热贴、镇痛贴、 农用薄膜 、建筑中的结露防止剂、调湿剂、石油化工中的堵水调 剂，原油或成品油的脱水，在矿业中的抑尘剂，食品中 的保鲜剂、增稠剂，医疗中的药物载体等等。值得注意 的是，不同的应用领域应该选用不同的高分子原料，以 满足不同的需求。
丙烯酸水凝胶制备
丙烯酸水凝胶制备
丙烯酸水凝胶是一种重要的高分子水凝胶材料，可用于涂层、大理石、磨料、过滤、胶黏剂等领域。
制备丙烯酸水凝胶的基本步骤如下：
1. 材料准备：将溶剂、起始剂、稳定剂和丙烯酸等材料准备好。
2. 溶剂预处理：按一定比例加入甲苯和去离子水，混合均匀，过滤除杂质。
3. 加入起始剂：再将过滤好的溶剂倒入反应釜中，加入过硫酸铵等起始剂，开始加热。
4. 加入丙烯酸：当溶剂的温度达到一定程度时，将丙烯酸缓慢加入，同时反应釜内维持一定的温度和搅拌速度。
5. 加入稳定剂：反应进行到一定程度时，加入一定量的稳定剂，继续加热和搅拌。
6. 除氧：在反应结束前，用氮气去除反应釜中的氧气。
7. 喷淋成型：反应完后，将制得的丙烯酸水凝胶从反应釜中取出，并进行喷淋成型。
以上为丙烯酸水凝胶的基本制备过程，制备时需注意一些注意事项，例如反应温度、反应时间等因素，以保证制得的水凝胶质量和性能达到要求。
高分子水凝胶综述
高分子水凝胶综述摘要在这篇综述中，笔者以高分子水凝胶为探究的领域，围绕其产生、发展、应用等诸方面，浅层次地加以论述。
论文大体的探讨方式是这样：首先以高分子水凝胶的出现为基点，考察其定义的由来以及与吸水树脂之间的关系；然后以高分子水凝胶潜在应用价值的属性为导向线，对其进行分类，讨论相应的制备方法和水凝胶性能各类表征方法；接着突出强调环境敏感性水凝胶的制备及响应原理；而水凝胶实际应用及缺陷则作为最后系统概括。
关键词：高分子水凝胶应用性能制备产生、定义与比较高分子水凝胶的合成可以追溯到20世纪50年代后期，Wichterle和Lim合成了第一个医用甲基丙烯酸羟乙酯（HEMA）水凝胶[1]。
对于高分子水凝胶的定义，各个文献报道的都很接近，即由带有化学或物理交联的亲水性高分子链形成的三维固体网络[2]，在水环境下高分子水凝胶能够发生吸水溶胀，甚至有的吸水能超过其自重好多倍（图1）图1凝胶吸水溶胀前与溶胀后的比较（左侧为吸水溶胀后，右侧为吸水溶胀前）同时，笔者发现，高分子水凝胶与吸水树脂之间的关联需要被加以认知。
吸水树脂本身就是一种新型功能高分子材料，具有亲水基团，能吸收大量水分而又能保持水分不外流。
当水分子通过扩散作用及毛细作用进入到树脂中时，形成的树脂即称为高分子水凝胶。
也就是说，吸水树脂是高分子水凝胶的前身，且当树脂经吸水后才成为水凝胶。
此外，对于高分子水凝胶的吸水并且保水的机理也需要加以阐述。
从化学结构上来分析，凝胶是分子中含有亲水性基团和疏水性基团的交联型高分子。
在凝胶的交联网格里，必然存在很多疏水性基团朝外，亲水性基团朝里的结构，在这样的结构下，亲水性基团与水分子以氢键等方式进行结合，疏水性基团在外头形成的屏障可以有效地间隔不同的内亲水网格，起到容纳水分子容器的作用（图2）。
OOH R O H R OO H R O OH RO OH R O OHR OOH OHH图2 凝胶保持水分子示意图图2中，右下侧的疏水性基团是朝内的，这表明凝胶亲水性网格结构内部也是含有非亲水性基团的；而水分子与亲水链上的氧之间形成了氢键。
高分子水凝胶
Irreversible, permanent insoluble
化学交联水凝胶的设计与合成
Hoffman, A. S. Adv. Drug Deliv. Rev., 2002, 43, 3
5
化学交联水凝胶的设计与合成
•
17
许多天然源聚合物及合成聚合物均可形成水凝胶而 作为组织工程支架使用，如下表：
18
三类凝胶材料的性能比较：
• 天然水凝胶：生物相容性好（天然衍生的聚合物水凝胶
由于其组成与结构类似于天然细胞外基质，例如胶原是哺 乳动物组织细胞外基质的主要蛋白质，明胶则是其变性衍 生物，而透明质酸常存在于成年动物的各种组织中，海藻 酸盐和壳聚糖均是亲水性的线性多糖，结构类似于糖胺聚 糖，植入体内后异体反应小）。但因来源不同，结构与性 能存在批次间差异，因此有一定的局限性，
= 1.74 = 0.85 = 0.46 = 0.39 = 1.8
凝胶化点的确定
Convenient methods to determine gel point:
Tilted test tube
Falling ball
凝胶化点的确定 Mechanical properties at sol-gel transition:
•
•
合成水凝胶：生物相容性较差，但合成聚合物水凝胶的
结构与性能可控，重复性好。
天然与合成高分子杂化水凝胶：兼有天然材料和合
成材料的优点。
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凝胶化理论模型
Flory-Stockmayer 模型
Gel Point:
1 pc a 1
水凝胶——精选推荐
水凝胶水凝胶（Hydrogel）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。
这些高分子按其来源可分为天然和合成两大类。
天然的亲水性高分子包括多糖类（淀粉、纤维素、海藻酸、透明质酸，壳聚糖等）和多肽类（胶原、聚L-赖氨酸、聚L-谷胺酸等）。
合成的亲水高分子包括丙烯酸及其衍生物类（聚丙烯酸，聚甲基丙烯酸，聚丙烯酰胺，聚N-聚代丙烯酰胺等）。
一、卡波姆卡波姆（c arbomer），是以季戊四醇等与丙烯酸交联得到的丙烯酸交联树脂，是一类非常重要的流变调节剂，中和后的卡波是优秀的凝胶基质，有增稠、悬浮等重要用途，工艺简单，稳定性好，广泛应用于乳液、膏霜、凝胶中。
卡波姆9401g，水45.4g，甘油53.4g，三乙醇胺1.1g。
先将树脂溶于水中，待完全溶胀后，加入甘油混匀，或过胶体磨，均匀后，加入三乙醇胺，得透明的凝胶。
加三乙醇胺时，尽量减少气泡生成。
此基质具水溶性基质的特点，外观透明美观，搽于皮肤上有特别的细腻滑爽感，与皮肤藕合效果极佳。
以卡波姆为基质的软膏应贮存于密闭避光的容器内。
本品形成的水凝胶，在pH为6～12时最为粘稠，当pH＜3和＞12时，粘度降低，强电解质存在也会使粘度降低，曝露于阳光下会迅速失去粘性，加入抗氧剂可使反应减慢。
胶浆在pH5～11范围内十分稳定，可高压蒸汽灭菌，不分解，粘度不变，可加入适量的防腐抑菌剂。
少量挥发油类或在基质中不溶的其它物质，可先用吐温80或增加处方中丙二醇、乙醇用量使之变得透明。
1、碱---用于中和卡波姆的碱多为三乙醇胺、氢氧化钠、乙二胺、月桂胺、碳酸氢钠等。
一般pH值在5～11之间凝胶比较稳定，在pH6～12时最为黏稠，可根据制剂需要调节碱的使用量，以获得不同的pH值。
碱的加入方法：搅拌下加入到卡波姆溶胀物中，可先加碱后加药液，也可与药液同时加入，还可最后加入。
几种加入方法因药物性质的不同而效果可能不同，应多试为准。
高分子水凝胶简介
目录
水凝胶的定义 水凝胶的基本性质 水凝胶的分类 水凝胶的制备 水凝胶的应用 研究前景
定义
水凝胶是一种能够在水中溶胀并保持一定 水分而又不溶于水的具有三维网络结构的 新型功能高分子材料，兼有固体和液体的 性质
水凝胶具有良好的生物相容性 ,自 20世纪 40 年代以来 ,有关水凝胶的合成、理化性质 以及在生物化学、医学等领域中的应用研究 十分活跃
性质
吸水溶胀是水凝胶的一个重要特征。
溶 胀 收
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。
缩
行
当这两种相反的倾向相互抗衡时 ，达到了溶胀平衡 , 可见凝胶的体积之所以溶胀或收缩是由于凝胶内部 的溶液与其周围的溶液之间存在着渗透压 。 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。
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。
有一些两组分或多组分 的补齿材料含有 HEMA 或其他亲水型聚合物 ， 这些材料被放在颚槽或 牙根部的孔内聚合或交 联 ，在大多数情况下 ， 这些反应由 UV 引发。
生物分子、细胞的固定化
水凝胶固定化的生物分子和细胞在分析、 医学诊断等方面有着广泛的应用。 生物分 子和细胞可以固定在水凝胶小球的表面或 其内部 ，然后装填柱子 ，这样的柱子可以 用于分离混合物中的特殊生物分子。 生物 传感器是表面固定了生物分子或细胞的电 化学传感器 ，生物分子一般固定在与生物 传感器物理元件相连的水凝胶表面或其内 部。 水凝胶膜是连接生物分子和物理元件 的枢纽 ，因此很重要 。
水凝胶的作用
水凝胶的作用水凝胶是一种具有吸水性的高分子材料，可以在自身重量数倍甚至数百倍的水分子中吸附和贮存水分。
它的作用主要可以分为以下几个方面。
首先，水凝胶可以用于保湿。
水凝胶具有很强的吸水性能，可以将周围的水分吸附并锁定在其内部，从而形成一层湿润的保护膜。
这一特性使得水凝胶在各个领域都有广泛的应用，如农业、园艺以及个人护理产品等。
在植物种植中，水凝胶可以帮助植物保持适当的湿度，提供稳定的水分供应，从而促进植物的生长。
在个人护理产品中，水凝胶可以被用作保湿剂，有效地提高产品的保湿效果，使皮肤始终保持湿润。
其次，水凝胶可以用于农业领域。
农作物的生长通常需要适量的水分来保持其正常生理活动。
然而，由于气候变化和土地质量等原因，很多地区的农作物种植面临水资源短缺的问题。
此时，水凝胶就可以发挥重要的作用。
通过将水凝胶添加到土壤中，可以提高土壤的保水能力，增加植物的水分利用效率。
水凝胶可以吸收和保持大量的水分，当土壤干燥时释放出来，为植物提供水分，从而提高植物的生长速度和产量。
另外，水凝胶还可以用于水处理和污水处理。
现代社会对水质的要求越来越高，许多地区的水资源都受到污染。
水凝胶具有良好的吸附能力，可以将水中的有机物、重金属离子等有害物质吸附在其表面，从而净化水质。
此外，水凝胶还可以用于污泥的脱水处理，将污泥中的水分吸附并保持在其内部，使污泥干燥快速，减少后续处理的成本和能源消耗。
最后，水凝胶还可以应用于建筑材料中。
由于水凝胶具有较好的保水性和保湿性，因此可以用于调节室内湿度，提高室内空气质量。
在建筑材料中添加水凝胶可以减少建筑物内外的温度差异，节约能源，提高建筑物的舒适性。
此外，水凝胶还可以用于混凝土中，改善混凝土的强度和耐久性。
综上所述，水凝胶作为一种具有吸水性能的高分子材料，具有广泛的应用前景。
它可以用于保湿、农业、水处理、建筑材料等领域，发挥着重要的作用。
随着人们对可持续发展和环保意识的提升，水凝胶的应用前景将更加广阔，为我们的生活带来更多便利和益处。
丙烯酰胺水凝胶的制备及应用
丙烯酰胺水凝胶的制备及应用丙烯酰胺水凝胶（AminoAcrylamideHydrogel），简称AAH，是一种无机高分子水凝胶，常用于滤液、封堵以及凝胶介质等催化反应，具有优良的吸附性、隔离性和抗化学冲蚀性等特性。
本文旨在介绍如何制备AAH，以及AAH的应用领域。
AAH是由丙烯酰胺与无机离子聚合而成，它使用模板聚合合成，可分为三步：乳液凝胶化、凝胶裂解和离子替换。
首先，将丙烯酰胺和碱性模板聚合剂加入水溶液，然后添加少量还原剂，如硫酸锌、硫酸铜或氯化钠，搅拌至乳液状，再加入胺类聚合剂，使混合物中聚合反应发生，即凝胶化模型的形成。
然后，将乳液加入电解液，凝胶裂解后，释放模板分子，最后将聚合物上的电荷置换成希望的离子，形成终产物。
AAH的特性表现为其具有多种优异的性能。
首先，它在润湿性、极性、热稳定性和机械强度方面都具有优良的表现；其次，它有良好的抗化学冲蚀性，即使在强酸强碱环境中，也能保持其稳定性；第三，它具有优良的耐氧性，能够有效防止氧化反应；最后，它具有较好的凝固特性，在恒温下可以保证其固体分子的紧密整合。
AAH具有广泛的应用领域。
首先，它可用于滤液，如净水、分离技术以及测定分析；其次，它可以作为封堵剂，用于抑制酸性溶液中有害物质的溶出；第三，AAH可用作抗菌剂和抗霉剂，可以有效控制有害菌；最后，它可以用作凝胶型介质，可用于抗原介质的合成及催化反应。
此外，它还可用于生物领域，如用于药物缓释、注射成形及植入材料的缓释性能研究。
综上所述，AAH是一种极具应用价值的无机高分子水凝胶，具有稳定性、隔离性和吸附性等特性，可广泛应用于滤液、封堵、抗菌剂、抗霉剂和凝胶介质等各种领域。
如果可以更加深入研究，它将为药物缓释、生物抗原研究及其他应用提供更多有价值的信息。
结束语：丙烯酰胺水凝胶（AAH）是一种具有广泛应用前景的无机高分子水凝胶，其制备和应用方面值得进一步研究和探索。
高分子导电水凝胶的制备及在柔性可穿戴电子设备中的应用
高分子导电水凝胶的制备及在柔性可穿戴电子设备中的应用一、本文概述随着科技的不断进步，柔性可穿戴电子设备已成为当前研究的热点。
这类设备以其独特的柔韧性、可穿戴性和舒适性，为人们的日常生活带来了极大的便利。
然而，其性能的稳定性和持久性仍然是制约其进一步发展的关键因素。
高分子导电水凝胶作为一种新兴的材料，因其良好的导电性、生物相容性和高柔韧性，在柔性可穿戴电子设备中具有广阔的应用前景。
本文旨在探讨高分子导电水凝胶的制备方法，并分析其在柔性可穿戴电子设备中的应用，以期为未来该领域的研究提供参考和借鉴。
文章首先将对高分子导电水凝胶的基本概念和特性进行介绍，阐述其在柔性可穿戴电子设备中的潜在优势。
随后，将详细介绍高分子导电水凝胶的制备方法，包括原材料的选择、反应条件的优化以及后处理工艺的改进等。
在此基础上，文章将重点探讨高分子导电水凝胶在柔性可穿戴电子设备中的应用，如柔性传感器、柔性显示屏和柔性电池等。
还将对高分子导电水凝胶在实际应用中面临的挑战和问题进行深入分析和讨论。
文章将总结高分子导电水凝胶在柔性可穿戴电子设备中的研究现状和发展趋势，展望其未来的应用前景。
通过本文的阐述，旨在推动高分子导电水凝胶在柔性可穿戴电子设备领域的研究和发展，为相关领域的科研人员和企业提供参考和指导。
二、高分子导电水凝胶的制备高分子导电水凝胶的制备主要涉及到聚合物的合成、交联反应以及导电物质的引入等步骤。
选择适合的聚合物前驱体，这些前驱体通常具有良好的水溶性或水溶胀性，如聚丙烯酸（PAA）、聚甲基丙烯酸（PMAA）等。
然后，在适当的条件下进行聚合反应，如自由基聚合、离子聚合等，形成聚合物的三维网络结构。
在聚合过程中，需要引入交联剂以增强水凝胶的机械强度和网络稳定性。
常用的交联剂包括乙二醇二甲基丙烯酸酯（EDMA）、N,N'-亚甲基双丙烯酰胺（MBA）等。
这些交联剂能够与聚合物链发生共价键合，形成稳定的交联网络。
接下来，为了赋予水凝胶导电性，需要将导电物质引入聚合物网络中。
智能高分子及水凝胶的响应性及其应用
智能高分子及水凝胶的响应性及其应用一、本文概述随着科技的飞速发展，智能高分子及水凝胶的响应性及其应用已经引起了全球科研人员的广泛关注。
智能高分子，作为一类具有特殊响应性能的高分子材料，能够在外部刺激下发生可逆或不可逆的物理或化学变化，从而展现出独特的性质和功能。
水凝胶，作为一种特殊的智能高分子，能够在水溶液中吸收并保持大量水分，同时保持其三维网络结构。
智能高分子及水凝胶的响应性使得它们在许多领域，如药物传递、生物传感器、组织工程、环境治理等，具有广泛的应用前景。
本文旨在全面介绍智能高分子及水凝胶的响应性及其应用。
我们将对智能高分子及水凝胶的基本概念、分类和性质进行阐述，以便读者对它们有一个清晰的认识。
接着，我们将深入探讨智能高分子及水凝胶的响应机制，包括温度响应、pH响应、光响应、电响应等，以及这些响应机制在实际应用中的优势与挑战。
我们将详细介绍智能高分子及水凝胶在药物传递、生物传感器、组织工程、环境治理等领域的应用案例，展望其未来的发展趋势。
通过本文的阅读，我们期望读者能够对智能高分子及水凝胶的响应性及其应用有一个全面而深入的了解，同时也为相关领域的科研人员提供有益的参考和启示。
二、智能高分子的响应性智能高分子，作为一种新型的功能高分子材料，其最显著的特征在于其独特的响应性。
这种响应性源自高分子链上的特定官能团或结构，使其能在外界环境刺激下发生物理或化学性质的变化。
这些刺激源广泛而多样，包括温度、pH值、光照、电场、磁场以及化学物质等。
温度响应性高分子是最常见的智能高分子之一。
这类高分子通常含有温敏性基团，如聚(N-异丙基丙烯酰胺)（PNIPAM），其在低于最低临界溶解温度（LCST）时呈现亲水性，而在高于LCST时则转变为疏水性。
这种温敏性质使得这类高分子在药物控释、生物传感器和智能纺织品等领域具有广泛的应用。
pH响应性高分子则能在不同pH值环境下发生性质变化。
这些高分子通常含有可电离的基团，如羧基、氨基等，其电离状态随pH值的变化而变化，从而改变高分子的溶解性、电荷状态和亲疏水性。
丙烯酸水凝胶去除氨氮的原理
丙烯酸水凝胶去除氨氮的原理丙烯酸水凝胶是一种高分子水凝胶，具有较好的吸附能力和选择性。
它在环境治理和水处理领域得到了广泛的应用。
其中，丙烯酸水凝胶去除氨氮已经成为一种重要的方法。
丙烯酸水凝胶的结构特点丙烯酸水凝胶是由丙烯酸单体和交联剂组成。
丙烯酸单体是一种含有羧基的单体，它具有很强的亲水性。
交联剂可以使丙烯酸单体形成三维交联网络结构，从而具有一定的强度和韧性。
它的结构特点包括如下几个方面：1.大表面积。
丙烯酸水凝胶的交联结构可形成大量的孔隙和空隙，使其具有较大的比表面积，增强了吸附能力和质量传递效率。
2.亲水性和吸水性强。
丙烯酸单体中的羧基具有很强的亲水性和吸水性，在水中很容易溶解和膨胀。
它的孔隙中因为存在水分子，因此形成了肥沃的微环境。
3.表面化学活性。
丙烯酸单体的羧基在水中形成负离子，在高等氨基酸等物质的存在下，可通过静电引力、亲和力等多种作用吸附其分子。
在水中，氨氮以氨气、铵离子和氢氧化铵三种形式存在。
丙烯酸水凝胶的去除氨氮机理包括以下几个方面：1.静电作用。
丙烯酸水凝胶具有负电性，与氨氮中的阳离子产生静电作用，因此可以吸附氨氮中的铵离子和氢氧化铵等阳离子。
3.体积排斥作用。
随着氨氮的吸附，丙烯酸水凝胶的体积会发生变化，从而产生阻力，使后续的氨氮吸附速率变慢。
当氨氮的浓度较高时，吸附效率不高。
4.表面催化作用。
丙烯酸水凝胶表面具有一定的催化能力，在一定条件下会加速氨氧化反应，从而促进氨氧化物的生成和分解。
综合而言，丙烯酸水凝胶去除氨氮的机理是多方面的，包括静电作用、亲和力作用、体积排斥作用和表面催化作用等。
这些作用共同作用，使丙烯酸水凝胶具有较好的去除氨氮能力。
水凝胶定义及成分
一种具有三维空间网状结构，以水为分散介质的高分子网 络体系。（专业术语）
在常温常态下，含有大量水的胶状固体，能够体现水的性 质。（通俗理解）
吉原生物研制的水凝胶，含水量达99%。
.
失水后的水凝胶及微孔结构 Dried hydrogel sheet
二、水凝胶的成分
高分子是由大量的一种或几种较简单结构单元组成的大型分子,其中 每一结构单元都包含几个连结在一起的原子，整个高分子所含原子数目 一般在几万以上，而且这些原子是通过共价键连接起来的。
如果高分子化合物中的原子连接成网状时，这种高分子由于一般都不
是平面结构而是立体结构，所以也叫体型高分子。体型高分子加热时不能
熔融，只能变软；不能在任何溶剂中溶解，只能在某些溶剂中溶胀。 水凝
胶即是一种体型高分子结构。
.
水凝胶高分子的选取原则
1.安全性：无毒害，能够应用于医疗卫生领域。 2.亲水性：
①非离子性：由含氧基团组成的醚基和羟基与羧 酸酯、嵌段聚醚等。
②阴离子性：羧酸基、磺酸基、磷酸基等。 ③阳离子性：氨基、季铵基等。 3.合成条件：
能够在辐射合成条件或其他合成条件下形成 Nhomakorabea 凝胶，并能通过辐照方式灭菌。
.
高分子化合物由于分子量很大，分子间作用力的情况与小分子大不相 同，从而具有特有的高强度、高韧性、高弹性等。
高分子化合物中的原子连接成很长的线状分子时，叫线性高分子(如聚 乙烯的分子)。这种高分子在加热时可以熔融，在适当的溶剂中可以溶解。
支型高分子：高分子化合物中的原子连接成线状但带有较长分支时，也可 以在加热时熔融，在适当溶剂中溶解。
超分子水凝胶和大分子水凝胶的利和弊
超分子水凝胶和大分子水凝胶的利和弊水凝胶是一种具有三维网络结构的新型功能高分子材料。
它以含水量高、溶胀快、柔软、具有橡胶般的粘稠性和良好的生物相容性等特点，在传感、药物递送、软机器人以及生物杂交或生物界面材料中有极大的应用潜力。
水凝胶的性质很大程度取决于制备材料的单元结构和其相作用后形成的网络结构。
因此清楚了解水凝胶的结构，性质和能力对具体应用来说极具意义。
因此德国亚琛工业大学Andrij Pich和代尔夫特理工大学Rienk Eelkema把两种常见水凝胶：超分子凝胶网络（SHGs）和大分子凝胶网络（MHGs）进行比较。
该综述详细比对了两种水凝胶的结构，基本性质，化学设计，网络结构，功能性和响应性。
得出一个结论：目前单独的SHGs或MHGs各自都表现出优势，但是与生物体凝胶材料相比仍存在不足。
但是当SHGs与MHGs融合到一个体系中形成超大分子凝胶网络（SMHGs），赋予凝胶优异性质和先进功能。
使该新型凝胶有望与生物凝胶媲美。
该工作以题名《Pros and Cons: Supramolecular or Macromolecular: What Is Best for Functional Hydrogels with Advanced Properties?》发表在《先进材料》上。
后附原文链接。
图1 凝胶网络拓扑结构示意图，左边是大分子凝胶网络（MHGs），右边是超分子凝胶网络（SHGs），中间是超大分子凝胶网络（SMHGs）解析：左图是典型的MHGs，组成单元是丙烯酰胺，交联剂是N,N-亚甲基双丙烯酰胺。
在水中10-15分钟就可以形成凝胶，溶胀率是13.3，杨氏模量是0.03 MPa。
右图是典型的SHGs，质子化诱导自组装，在水中，疏水性二肽驱动凝胶化，形成的凝胶具低屈服应力。
中间是第三类凝胶，由MHGs和SHGs通过非共价相互作用形成的SMHGs。
图2 SMHGs的性质。
a.聚两性电解质凝胶拉伸前后示意图。
水凝胶的吸水率
水凝胶的吸水率概述水凝胶是一种高分子材料，具有出色的吸水性能。
它能够迅速吸收大量水分并形成凝胶状态，被广泛应用于各个领域，如农业、医疗、环境保护等。
水凝胶的吸水率是衡量其吸水性能的重要指标，本文将详细介绍水凝胶的吸水率及其影响因素。
吸水率的定义吸水率是指水凝胶在一定条件下吸收水分的能力，通常用重量比例表示。
吸水率越高，表示水凝胶能够吸收更多的水分。
影响吸水率的因素1. 材料组成水凝胶的吸水率与其材料组成有关。
一般来说，水凝胶的主要成分是聚合物，如聚丙烯酸钠、聚丙烯酰胺等。
不同的聚合物具有不同的吸水性能，因此会对吸水率产生影响。
2. 粒径大小水凝胶的粒径大小也对吸水率有一定影响。
通常情况下，粒径越小，比表面积越大，吸水率也就越高。
这是因为较小的颗粒能够提供更多的吸附位点，增加了水分吸附的机会。
3. 网络结构水凝胶的网络结构对其吸水率有着重要影响。
一个较为稳定且均匀的网络结构可以提供更大的吸水空间，从而增加吸水率。
4. pH值水凝胶的吸水率还与环境中的pH值有关。
不同的水凝胶在不同的pH值下表现出不同的吸水性能。
例如，聚丙烯酸钠在酸性环境下吸水性能较好，而在碱性环境下吸水性能较差。
5. 温度温度也会对水凝胶的吸水率产生一定影响。
一般来说，较高的温度会促进水分分子的扩散，从而提高水凝胶的吸水率。
测量吸水率的方法1. 定量法定量法是一种常用的测量水凝胶吸水率的方法。
该方法通过称量水凝胶的干重和吸水后的重量，计算出吸水率。
具体步骤如下：1.将一定质量的水凝胶样品称量并记录其干重；2.将水凝胶样品放入一定量的水中浸泡一段时间，使其完全吸水；3.取出水凝胶样品，用纸巾等吸去表面多余的水分，然后称量并记录其湿重；4.根据干重和湿重计算出吸水率。
2. 容积法容积法是另一种常用的测量水凝胶吸水率的方法。
该方法通过测量水凝胶吸水后的体积变化来计算吸水率。
具体步骤如下：1.将一定体积的水凝胶样品放入一个容器中，并记录容器的初始体积；2.加入一定量的水，使水凝胶完全吸水；3.记录容器中水凝胶的最终体积；4.根据体积变化计算出吸水率。
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Crosslinking
Irreversible, permanent insoluble
化学交联水凝胶的设计与合成
Hoffman, A. S. Adv. Drug Deliv. Rev., 2002, 43, 3
5
化学交联水凝胶的设计与合成
❖ 自由基共聚反应交联
• 合成水凝胶：生物相容性较差，但合成聚合物水凝胶的
结构与性能可控，重复性好。
• 天然与合成高分子杂化水凝胶：兼有天然材料和合
成材料的优点。
19
凝胶化理论模型
❖Flory-Stockmayer 模型
Gel Point:
1 pc a 1
凝胶化理论模型
❖ 逾渗模型
凝胶化以前
凝胶化点
凝胶化以后
逾渗模型与Flory-Stockmayer模型的临界指数对比
HO
O Om
O
O n
O
H m
O Om
O
O n
OO m
photopolymerization
O O
O Om
O
O n
O
O
m
Sawhney, A. S.; Pathak, C. P.; Hubbell, J. A. Macromolecules, 1993, 26, 581
10
凝胶的分类 （Physical crosslink）
Equilibrium modulus
Ge appears (Ge 0)
or G e
liquid
solid
G e
0
gel point
crosslink density
dynamic moduli at gel point
104
103
G', G"
102
G"
101
G'
PNIPA in water
102
/ rad s-1
1.99
6.31
10.00
101
15.85
19.95
31.63
100
Ca-MLGH #2
10-1
C = 4wt% Alg
0.04 0.05 0.06 0.07 0.08
f
水凝胶的溶胀行为与溶质运移
Flory-Rehner理论
Gtotal Gelastic Gmixing
6
聚合方法：
根据所用的单体和溶剂，可以考虑使用辐射、紫外 照射或化学引发聚合。
共聚交联中常用的化学引发剂有：①热不稳定的过 氧化物；②氧化还原体系，其中氧化剂如过硫酸铵 或过氧化氢，还原剂有亚铁盐、焦亚硫酸盐或四甲 基乙二胺。
相比较而言，用于合成包埋生物分子的水凝胶时采 用辐射聚合法更具优势。其主要原因是辐射聚合不 需外加化学引发剂、反应温度较低且不易使生物分 子失活。例如，有人采用电子束辐射不同浓度PEO 和PVA混合水溶液得到了性能优良的、可用作伤口 敷料的共混型水凝胶。
S
t
•
(t t' )n (t' )dt'
Zero-shear viscosity at gel point:
0
(t)
•
0
t
S 1 n
lim t1n
t
Equilibrium modulus at gel point:
Ge
lim G(t )
t
S
lim t n
t
0
0 n 1
from Kramers-Krönig relation:
❖ Hydrogen bonding between the two types of polymer at low temperatures
PAG
n
PAAc
ON H
NH2
O
HO O n
Sasase, H.; Aoki, T.;Katono, H.;Sanui, K.; Ogata, N.; Ohta, R.; Kondo, T.; Okano, T.;
34
Bae, Y. H.; Vernon, B.; Han, C. K.; Kim, S. W. J. Controlled Release, 1998, 53, 249
1.54Å；
特征比值Cn（无扰链与自 由连接链均方末端距的比
值）；交联点间平均分子 质量 M c；
聚合物体积膨胀系数v2,s； 重复单元分子量Mr 。
水凝胶简介
水凝胶的应用
❖ 生物医用材料 （药物载体、隐形眼镜、人工肌肉） ❖ 石油化工 （驱油剂、脱水剂） ❖ 农业 （保水剂、结露防止剂）
❖ 日用、化妆品 （卫生巾、纸尿裤、面膜等）
tan
107 106 105 104 103 102 101 100 10-1 10-2 10-3
10-1
海藻酸钠水溶液的动态粘弹性 5%
5%
6%
6%
7%
4 9%
101
7%
8%
3 8%
8%
9%
9%
2 7%
100
MLGH#2 = 5 = 10 = 20 = 30 = 40 = 50
1 6% a = 0 5%
more Ca2+ required
结晶与分子间氢键作用交联
❖ 有人研究发现，将聚乙烯醇(PVA)水溶液进行冻融 (freeze thawing) 处理可得到一种高强度高弹性的凝 胶，凝胶的性质取决于PVA的分子量、浓度、冻 结时间和温度以及冻结的循环次数，而凝胶的形 成则归因于PVA分子在低温下的结晶作用；这种 结晶作用可促使PVA形成其功能类似于物理凝胶 网络交联点的微晶。
G'() 2 G"(x) / x
2
0
2 x2 dx
at gel point : G"() tan tan(n )
G' ( )
2
Interpolation to determine gel point:
tan independent of ; evaluation of n
G',G" X 10a / Pa
凝胶化点的确定
Convenient methods to determine gel point:
Tilted test tube
Falling ball
凝胶化点的确定
Mechanical properties at sol-gel transition:
Zero-shear viscosity
Sakurai, Y. Makromol. Chem., Rapid Commun., 1992, 13, 577
14
Other IPNs
❖ From poly(acrylamide), PAAm, and PAAc which form hydrogen bonds at low temperature
比例式
Flory-Stockmayer模 型
Mw - ( p < pc )
= 1
Rchar - ( p < pc )
= 0.5
Mmax -1/ (p < pc)
= 0.5
Fg ( p > pc )
= 1
E ( p > pc )
=3
p pc pc
逾渗模型 （d=3）
= 1.74 = 0.85 = 0.46 = 0.39 = 1.8
Micro-crystallite
Hydrogen bonding
Ion cooperation
Coil-helix transition
Phase separation
Complex
Reversible, time-dependent
钙离子与海藻酸的交联模型
Ca2+ selectively chelated by G units
104
f =0.07
103 a =3
f =0.06
102 critical gel
f =0.05
101 a =2
f =0.04
100
a =1
10-1
a =0 solution
Ca-MLGH#2 C = 4wt%
Alg
10-2
10-1
100
101
102
/rad s-1
[Ca2 ] f [COO in alginate]
100 24 26 28 30 32 34 36 38 40
T / oC
Winter’s Criterion
Winter & Chambon
at gel point:
G’ G” n
G’ : storage modulus G” : loss modulus : angular frequency n: relaxation exponent
PAAc
n
OO
H H
HN O
PAAm
n
Katono, H.; Maruyama, A.; Sanui, K.; Ogata, N.; Okano, T.; Sakurai, Y. J. Controlled
Release, 1991, 16, 215
15
来源
天然高分子水凝胶
合成高分子水凝胶
• 天然水凝胶：琼脂糖、海藻酸盐、壳聚糖、胶原、血 纤蛋白、明胶和透明质酸等；
• 天然水凝胶：生物相容性好（天然衍生的聚合物水凝胶
由于其组成与结构类似于天然细胞外基质，例如胶原是哺 乳动物组织细胞外基质的主要蛋白质，明胶则是其变性衍 生物，而透明质酸常存在于成年动物的各种组织中，海藻 酸盐和壳聚糖均是亲水性的线性多糖，结构类似于糖胺聚 糖，植入体内后异体反应小）。但因来源不同，结构与性 能存在批次间差异，因此有一定的局限性，