水凝胶简介

水凝胶简介

水凝胶就是一种具有亲水性的三维网状交联结构的高分子网络体系。水凝胶性质柔软,能保持一定的形状,能吸收大量的水,具有良好的生物相容性与生物降解性。自从20世纪50年代由Wichterle等首次报道后,就被广泛地应用于组织工程、药物输送、3D细胞培养等医药学领域。[1]

水凝胶根据交联方式不同,分为物理交联水凝胶与化学交联水凝胶。物理凝胶就是指通过静电力、氢键、疏水相互作用等分子间作用力交联形成的水凝胶。这种水凝胶力学强度低,温度升高会转变成溶胶。化学交联水凝胶就是指通过共价键将聚合物交联成网络的凝胶。其中,共价键通过“点击”反应生成,比如硫醇-烯/炔加成、硫醇-环氧反应、叠氮-炔环加成、席夫碱反应、环氧-胺反应、硫醇-二硫化物交换反应等。Gao Lilong等在生理条件下将N,N-二甲基丙烯酰胺、甲基丙烯酸缩水甘油酯与聚低聚乙二醇巯基丁二酸通过巯基-环氧“点击”反应制备得到可注射水凝胶。[2]与物理凝胶相比,化学交联水凝胶稳定性较好,力学性能优异。根据来源不同,水凝胶又可分为天然水凝胶与合成水凝胶。天然水凝胶包括琼脂、壳聚糖、胶原、明胶等,它们大都通过氢键交联形成。合成水凝胶包括聚乙二醇、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)。与合成水凝胶相比,天然水凝胶生物相容性较好,环境敏感性好,价格低廉,但稳定性较差。目前,有学者将天然高分子与合成高分子交联制备杂化水凝胶。比如,Lei Wang等将壳聚糖与聚异丙基丙烯酰胺交联得到热敏性杂化水凝胶用于体内药物输送,并利用近红外光引发药物释放。[3]

水凝胶凭借良好的生物相容性广泛地应用于药物输送、组织再生等医药学领域。药物可以通过化学接枝与包埋等方式实现负载。负载药物的水凝胶通过移植或注射进入生物体内,然后在体内逐渐降解实现药物的缓慢释放。为了更好地实现药物的输送与释放,智能水凝胶应运而生,所谓智能水凝胶,就是指能够对外界环境的变化,比如pH、温度等做出反应的水凝胶,从而实现药物的可控释放。其中,温度响应水凝胶有聚(N-异丙基丙烯酰胺)基水凝胶、泊洛沙姆等,pH响应水凝胶有聚(甲基丙烯酸二甲氨基乙酯)基水凝胶、聚(乙酸烯丙酯)基水凝胶、腙键交联型水凝胶等。M、Ghorbanloo等制备得到pH响应的水凝胶,在酸性条件下,由于氢键的存在药物被紧紧包裹在水凝胶中,而在碱性条件下,氢离子电离,羧酸根之间的静电排斥使得水凝胶扩张,体积变大,药物得以释放。[4]Yi Chen等合成2-(二甲氨基)甲基丙烯酸乙酯与羧甲基壳聚糖水凝胶,实验发现,在酸性条件下,可以更好地实现药物的持续缓慢的释放。

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传统的水凝胶由于自身结构的不均匀性与缺少能量耗散机制,力学性能,恢复性与自愈与性较差,不能满足其在医学与药学领域的应用的要求。目前,改善水凝胶力学性能的方法主要有双网络水凝胶、滑环水凝胶、纳米复合水凝胶等。双网络水凝胶的合成方法就是首先合成一个具有紧密交联的刚性网络的凝胶,然后将该网络放入另一单体溶液中溶胀,最后在刚性网络的基础上生成一个具有疏松交联的柔性网络的凝胶。双网络水凝胶的力学增强性能主要取决于刚性网络,当双网络水凝胶受力时,刚性网络发生断裂,而柔性网络由于受刚性网络的保护不会断裂。双网络水凝胶根据交联类型不同可分为完全化学交联水凝胶、物理-化学混合交联水凝胶与完全物理交联水凝胶。为了使断裂的刚性网络可回复,刚性网络往往就是通过物理交联形成的。Md、Anamul Haque等合成了聚(2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸)/聚丙烯酰胺双网络水凝胶,实验发现,双网络的撕裂能为4400 J/m2,在相同的聚合物浓度下,比两个单网络水凝胶都要高出100-1000倍。[6]近年来,Yixi Wang等学者[7]合成了三网络水凝胶,其力学性能又进一步增强。Takuya Murakami等[8]将巯基化β-环糊精与2-羟丙基-β-环糊精串到聚烯丙基缩水甘油醚-聚乙二醇-聚烯丙基缩水甘油醚三嵌段共聚物上,嵌段共聚物两端的碳碳三键可以与巯基化β-环糊精上的巯基反应实现交联,从而成功合成了滑环水凝胶。实验发现,该滑环水凝胶具有较高的储存模量与较好的韧性及拉伸性。纳米复合水凝胶就是指将纳米尺寸的无机物颗粒分散在水凝胶中形成的复合材料。Pang Zhu等[9]合成了氧化石墨烯/P(AM-co- PEGMA)/α-环糊精双交联纳米复合水凝胶,该水凝胶不仅具有较强的断裂强度与断裂伸长率,而且具有优异的可恢复性。首先将丙烯酰胺与PEGMA共聚,得到的共聚物聚丙烯酰胺链段的侧链上的氨基与氧化石墨烯表面的含氧官能团以氢键交联,形成第一个交联体系,随后α-环糊精由于内腔疏水,会串到PEGMA链段的侧链上,形成轮烷结构,轮烷间又通过氢键交联,形成第二个交联体系。这种双交联结构赋予纳米复合水凝胶以优异的力学性能。实验发现,该水凝胶的断裂伸长率与断裂强度分别高达1800% 、660 kPa。此外,在高温下,将直型水凝胶弯曲为U型并迅速冷却定型后,放入热水中,水凝胶由于氢键的断裂逐渐恢复伸直。

水凝胶凭借其多种优异的性能广泛地应用于不同的领域,比如干旱地区的抗旱,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。水凝胶具有多孔结构,具有良好的吸附性,此外,水凝胶上能电离的官能团可以通过静电作用吸附一些带电物质。Zhicheng Yuan等[10]合成了负载八羧基铁酞菁的聚乙二醇基水凝胶用于对罗丹明B的光催化降解,取得了良好的效果。Yongjiang Zheng等[11]合成了PAA/Alg/DBM 双网络水凝胶作为细胞载体用于骨再生,发现成骨性能优异。

参考文献

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