水凝胶的结构与应用

工艺与设备

2017·0891

Chenmical Intermediate

当代化工研究

水凝胶的结构与应用

＊訾浩然

（山东省菏泽第一中学 山东 274000）

摘要：水凝胶是一种应用价值极高的功能材料,它含水量较高，具有特殊的力学性质，有些还具有刺激响应性，能够感知外界刺激的微小变化并做出响应。本文综述了用于医药学、污水处理、组织工程、农林业中的保水抗旱等领域的各种水凝胶的成分，结构，性质及其应用情况，最后对其发展趋势作了展望。

关键词：水凝胶；功能高分子材料；分类；性质

中图分类号：T 文献标识码：A

Structure and Application of Hydrogel

Zi Haoran

（Heze No.1 Middle School of Shandong Province, Shandong, 274000）

Abstract：The hydrogel is a kind of functional material with high application value. It has high water content, special mechanical properties and some stimulation response, and can perceive the small changes of external stimuli and make response. In this paper, the composition, structure, properties and application of various hydrogels used in the fields of medicine, sewage treatment, tissue engineering, water conservation and drought resistance in agriculture and forestry were reviewed. Finally, the development trend of the hydrogels was prospected.

Key words：hydrogel；functional polymer materials；classification；property

水凝胶是一类具有能与水结合的亲水基团，可以被水显著溶胀且不溶于水的交联高分子聚合物。它具有三维网状结构，在医药学上由于其优良的生物学性质而广泛用于可控药物释放，抗菌敷料等；在组织工程上可用作支架或填充物，用于生物组织的再生和修复等方面；在农业和工业生产上，因其具有吸附性和独特的吸水保水性能，被用于污水处理和农林业保水抗旱方面。本文即对应用于各个方向的水凝胶材料进行了分析和整合归纳，也对水凝胶的缺陷进行了概括，并对新型智能水凝胶材料的研究前景进行了展望。

1.医药用水凝胶

(1)用作药物递送体系的水凝胶

用作药物递送体系的水凝胶能够向人体特定位置释放包埋在其中的药物。水凝胶载体在病灶处富集，药物分子缓慢扩散出载体，或者通过载体的降解快速释放出来，到达细胞，实现治疗的目的。壳聚糖是一种线形多糖，其组成单元是β-(1，4)-2-氨基-2-脱氧-D-葡萄糖，是一种阳离子聚电解质，它广泛地存在于低等植物藻类、菌类的细胞和高等植物的细胞壁中和节肢动物软体动物的甲壳中，每年生物产量巨大。由于壳聚糖具有良好的生物相容性、刺激响应型和可降解性，且不易导致免疫反应，壳聚糖基水凝胶常被用于药物递送领域。

关宝丽等人曾用羧甲基壳聚糖作为基质，通过复凝聚法制备出了Apoptin基因缓释纳米水凝胶粒，并就其对U937肿瘤细胞凋亡的作用进行了探讨。实验结果表明，壳聚糖与该基因可以形成稳定的球状纳米微粒，微粒直径为200到300纳米，且包载效率较高。该种壳聚糖基微球能够有效防止体内DNA酶对沉默基因的降解作用，Apoptin微球载体中的基因仍然具有DNA作为复制模板的功能，能够有效地转染U937肿瘤细胞，诱导其发生凋亡，达到抑制癌细胞生长的目的。

(2)用作抗菌创伤敷料的水凝胶

用作抗菌创伤敷料的水凝胶可以直接与人体组织接触，以抑制杂菌的生长来防止感染，同时防止体液大量流失，水凝胶材料的透气性还使得创口能得到适量的氧气，从而达到促进伤口愈合的目的。

壳聚糖水凝胶同样也可以用作抗菌创伤敷料。王俊豪等人通过辣根过氧化物酶(HPR)催化制得Ph-壳聚糖/Ph-PVA互穿水凝胶，并经细胞实验和细菌行为学实验证明，该复合水凝胶具有良好的可降解性、生物组织相容性及有效的抗菌性能。

纳米银水凝胶也常用作抗菌敷料。这类水凝胶在制备 时，常通过还原性的聚合物与银离子反应得到纳米银。 Fullenkamp等就用儿茶酚胺聚合物将硝酸银溶液还原，再将还原产物与聚乙二醇(PEG)共价交联形成包裹纳米银的水凝胶。纳米银颗粒能穿透病原菌的细胞壁和细胞膜，进入菌体后与氧代谢酶的巯基结合，使酶失活，阻断细菌的呼吸，从而起到杀菌的效果，此纳米银水凝胶的缓释时间至少为14天，能有效抑制大肠杆菌、铜绿假单胞菌、葡萄球菌等多种细菌的生长，实现了良好的抗菌和缓释效果。

2.组织工程用水凝胶

用作组织替代材料的水凝胶

水凝胶作为组织替代材料在生物体的损伤修复中起到了重要的作用。这种水凝胶需要有一定的机械强度，还要能支持细胞在其中的黏附、分裂增殖和扩散。胶原蛋白就是修复组织损伤的理想材料，它是细胞外部基质的主要成分，是细胞生长的支架和依附，也是参与创伤愈合的主要结构蛋白。胶原蛋白是由三条肽链组成的三股螺旋，它在生物体内能够形成胶原蛋白纤维和胶原蛋白纤维束，进而形成宏观网络结构，构成组织的结构框架，进而赋予生物组织优异的生物力学性能。

例如，Supapom等曾利用胶原蛋白自组装法制备胶原蛋白/丝素/壳聚糖复合支架，胶原蛋白自组装成高度有序的多孔结构，其具有高强度、耐降解、高细胞存活率的特点，可作为骨缺损情况下的支架材料。Aravamudhan等将胶原蛋白