探究水凝胶材料的制备方法

探究水凝胶材料的制备方法

作者：张晓春刘嘉豪梁飞

来源：《中国化工贸易·上旬刊》2018年第04期

摘要：水凝胶是一类兼具应用价值和经济效益的新型功能高分子材料，由于其具有良好的生物相容性和亲水性，在生物医学领域有着广泛的应用。重点研究物理水凝胶和化学水凝胶的制备方法，为环境敏感水凝胶提供研究基础。环境敏感型水凝胶因为这种特殊的性质，被广泛应用在药物控制释放材料、传感器、形状记忆材料等，使得智能水凝胶在生物医药、仿生工程等领域拥有广泛的前景。

关键词：水凝胶；制备方法；环境敏感

水凝胶是指具有三维网络结构的水溶性高分子中引入一部分疏水基团和亲水残基，亲水残基与水分子结合，将水分子连接在网状内部，而疏水残基遇水膨胀的交联聚合物，水凝胶可以吸收自身重量的上千倍的水，且仅溶胀不溶解。由于水凝胶具有良好的生物相容性和亲水性，形态柔软类似生物体组织，目前在生物医学领域，如药物控释、细胞的固定化载体、生物分子、组织工程和传输体系等，有着广泛的应用。根据水凝胶的网络的交联方式，可分为物理凝胶和化学凝胶。

1 水凝胶材料的制备

1.1 物理凝胶的制备

物理凝胶通过物理作用如氢键、静电作用、链的缠绕等分别或者共同形成的。制备物理凝胶通常采用下列几种方法：

①缔合交联。两亲性高分子聚合物是指具有不同极性链段的高分子，具有表面活性，可以通过疏水相互作用等在水中自组装形成水凝胶及胶束等有序结构，接枝共聚物有丙烯酸接枝聚N-异丙基丙烯酰胺（PNIPAM）、改性淀粉接枝聚乙烯醇（PVA）等，多嵌段共聚物有左旋聚乳酸（PLLA）和PEO的三嵌段共聚物（PLLA-PEO-PLLA）、聚环氧丙烷（PPO）和PEO的共聚物（PEO-PPO-PEO）、聚乙二醇（PEG）和聚乳酸/轻基乙酸（PLGA）的共聚物（PEG-PLGA-PEG）、聚氨醋（PU）和PAA的共聚物等。

②离子交联。向带有中正电荷的高分子或者负电荷的高分子中加入交联剂就可以得到由离子交联而形成的水凝胶，离子桥的形成使高分子链连结成一个三维网络，如海藻酸可在Ca+存在下交联形成开放的三维网状结构。

③氢键和疏水相互作用。纤维素、壳聚糖等可以通过氢键交联作用而形成凝胶。例如，室温下的纤维素可以溶解于尿素和NaOH的混合溶液中，纤维素分子与混合溶液分子之间形成的氢键使得纤维素稳定分散在混合溶液中，当温度升高时，纤维素间与混合溶液分子之间形成的氢键开始衰弱，纤维素自身分子内的氢键开始增强，纤维素内部分子发生聚合而形成凝胶。

④结晶作用。非定型的高分子链通过结晶作用形成网络结构，作为物理交联点的结晶区会使亲水高分子溶胀而形成水凝胶。而具有手性结构的聚合物如PDLA与其异构PLLA混合后会发生立体络合反应，导致形成紧密的结晶，从而形成凝胶。如此形成的水凝胶有很高的熔点和比较低的临界凝胶浓度，如PDLA-PEG-PDLA和PLLA-PEG-PLLA的混合体系凝胶。

1.2 化学凝胶的制备

化学凝胶由化学键交联而形成的三维网络聚合物，其性能比物理凝胶更稳定。制备化学凝胶通常采用下列几种方法：

①高能辐射交联法。是指通过X射线、伽马射线、电子束或紫外线等这些高能量的光源能引发高分子链之间的相互作用，通常用于不饱和的化合物的聚合，如聚乙二醇、聚丙烯酸等，并且是制备互穿网络水凝胶的很重要的一种方式。

②自由基聚合法。制备化学凝胶最常用的一种方法。在交联剂作用下，用低分子量的单体通过自由基聚合制备水凝胶，交联剂的用量对最终水凝胶的性质有非常大的影响，如聚丙烯酰胺（PNIPAM）交联网络的制备。

③酶催化交联法。与上述几种方法相比，这种方法效率较高，并且有无需使用有毒交联剂、高选择性以及催化反应条件温和（一般在常压、常温下）等优点。Song等利用微生物转谷氨酞胺酶（MTGase）对大豆蛋白进行催化，制得了分子质量更大的分子聚合体，形成了具有良好的缓释性能和生物相容性的蛋白基水凝胶。

④高分子功能团间的反应。通过缩醛反应来制备交联网络，常用交联剂为带有醛基（-COH）的分子，如戊二醛、乙二醛等，还有高分子的二醛（如双醛淀粉和右旋糖普二醛）。不过小分子的二醛都有较大的毒性，这也是此化学交联法的一个弊端。另外，缩和反应和加成反应也是让高分子链交联的一种有效方法。

2 结语

环境敏感水凝胶能对外界物理或化学因素，如温度、pH、光、电、磁、声、力、化物质条件的刺激下，形状和体积产生可逆性的变化。环境敏感型水凝胶因为这种特殊的性质，被广泛应用在药物控制释放材料、传感器、形状记忆材料等，使得智能水凝胶在生物医药、仿生工程等领域拥有广泛的前景。

参考文献：

[1]叶菁芸.物理交联壳聚糖水凝胶的构建及复合大分子液晶的研究[D].广州：暨南大学，2012.

[2]丘雪莹.新型壳聚糖水凝胶的制备及其凝胶机理的研究[D].上海：复旦大学，2010.

作者简介：

张晓春（1995- ），男，籍贯：山西省大同市，药学本科学生。

梁飞（1984- ），男，籍贯：陕西省宝鸡市，研究方向：医用高分子材料研究。

依托项目：陕西省科技厅计划项目（项目编号：2017SF-174）；2017年地方高校国家级大学生创新创业训练计划项目（项目编号：201711840005）；陕西省大学生创新创业训练计划项目（项目编号：2326）；西安医学院大学生创新创业训练项目（项目编号：2017DC-19）