智能水凝膠研究進展

王市偉（鄭州大學力學與工程科學學院， 河南 鄭州 450001）

智能水凝膠研究進展

王市偉（鄭州大學力學與工程科學學院， 河南 鄭州 450001）

本文從高分子水凝膠的分類以及典型代表為出發點對智能高分子水凝膠的研究現狀進行了介紹，針對刺激敏感型智能高分子水凝膠的研究進展進行了闡述，探討了智能高分子水凝膠的發展趨勢。

水凝膠；高分子；智能；刺激敏感

1 智能高分子水凝膠

依據刺激來源的不同，高分子水凝膠又有pH、溫度、電、光以及磁敏感型水凝膠等不同類型。近年來，隨著研究的深入和應用的拓展，越來越多的研究傾向于復合刺激下的智能高分子水凝膠的結構與性能研究。如pH/溫度雙重敏感型水凝膠，溫度/磁場雙重敏感型水凝膠以及pH/鹽濃度雙重敏感型水凝膠。

（1）pH敏感型高分子水凝膠。這種水凝膠的三維網絡結構中通常情況下含有可離子化的堿性或者酸性基團。隨著介質pH值的改變，基團將發生電離，進而導致網絡中的大分子鏈段間的氫鍵解離，產生不連續的溶脹體積變化。pH敏感型水凝膠根據響應的基團的不同分為陽離子、陰離子和兩性離子三種類型。N A Mazied等人制備得到了N，N-二甲基氨乙基甲基丙烯酰胺-乙二醇二甲基丙烯酸酯共聚物水凝膠，該凝膠的溶脹度會隨著環境pH值的增大而降低。高曉曄等人發現由聚（L-谷氨酸）（PGA）和聚丙烯酸（PAA）組成的pH敏感水凝膠在低pH值環境中的溶脹率明顯低于高pH值環境。

（2）溫度敏感型水凝膠。這種水凝膠是目前研究最多的一類智能水凝膠。根據對溫度變化的響應的不同其又可以分為熱收縮型水凝膠和熱膨脹型水凝膠。前者在溫度升高時水凝膠的高分子鏈段聚集而收縮，溶脹率降低。后者則在溫度較高的情況下其高分子鏈段因水合作用而伸展，溶脹率降低。基于一些溫度敏感性水凝膠的凝膠溫度與人體體溫接近，因而可以將這一特性應用于藥物載體領域。馮巧等人采用制備了熱縮溫敏性能的聚（N-異丙基丙烯酰胺-乙烯基吡咯烷酮）（P（NIPAM-co-NVP））水凝膠。并應用于阿司匹林的藥物釋放，結果顯示藥物在室溫附近（25℃）釋放速率很快。Kim等利用光聚合法制備溫敏性水凝膠薄膜，并應用于以重組人生長荷爾蒙為模型蛋白的藥物釋放研究中，發現在釋放的前一周，13℃下的藥物釋放速率一周后幾乎為0，而兩周之后37℃下的藥物累積釋放量則達到90%。

（3）電刺激敏感型高分子水凝膠。電場敏感性水凝膠在電解質溶液中受到電場刺激時，會產生體積或者形狀的變化。Hamlen等在1965年首次報道了聚電解質水凝膠在電場的作用下會產生相應的變形。管娟等人制備出了一種天然高分子兩性荷電水凝膠，該水凝膠在電場作用下表現出良好的電場敏感特性。進一步的研究發現該水凝膠在pH＜6的電解質溶液中會彎向陽極，當電解質溶液的pH＞6時會彎向陰極，同時該水凝膠在酸性較強（pH=3～4）以及中性（pH=7）電解質溶液中都能表現出良好的電場敏感特性。然而，目前制備電場敏感水凝膠的原料以合成高分子為主，生物相容性以及生物降解性差等限制了其在生物醫藥方面的應用。同時對于如何進一步提高電場敏感水凝膠的響應速率和力學性能這一難題也亟需解決。

（4）光敏感型水凝膠。按照光的類型可分為特定光敏感型高分子水凝膠以及可見光敏感型高分子水凝膠兩大類。相比于pH、溫度等刺激敏感型水凝膠，光作為外界刺激，具有清潔和響應迅速的優點。目前對于光敏性水凝膠的研究主要集中在鄰硝基芐基類（o-NB）水凝膠的合成上面。如Kloxin等合成了一種基于聚乙二醇（PEG）和o-NB基團的光降解型水凝膠，發現其降解速率隨著光照強度的增加而增加。Peng等利用o-NB基團制備出了一種光降解型共價交聯水凝膠，并應用于以綠熒光蛋白為模型蛋白質的藥物釋放的研究中，發現，該凝膠基載體在365nm的光照條件下降解。

（5）磁性敏感型水凝膠。這種水凝膠對磁場或者磁性作用有特殊響應。由于其非接觸的作用機理，相比于其他水凝膠高分子材料具有易操控的特點，從而更適用于酶的固定與蛋白質的分離以及人工肌肉等領域的應用。Ramanujan等利用Fe3O4不同含量的復合凝膠其磁場閾值不同的特點，制備得到了PVA/Fe3O4磁性水凝膠，并且該凝膠可以模仿人手指彎曲。然而，目前國內對于磁性敏感型水凝膠的研究尚處于起步階段，很少有對于如何提高其機械強度等方面的研究報道，力學性能等方面的缺陷在一定程度上也制約了其在應用領域的拓展速度。

（6）復合刺激敏感水凝膠。復合型智能水凝膠作為一種新型的智能高分子水凝膠材料因其具有廣闊的應用前景正越來越受到研究者們的關注。通常情況下制備復合刺激敏感型水凝膠需要兩種或兩種以上的原料（單體或聚合物）。馬天澤等人通過乳液聚合法制備得到了具有溫度/pH雙重響應的單分散聚（N-異丙基丙烯酰胺-CO-丙烯酸）納米水凝膠。王益亨等人制備了同時具有溫敏性和磁性能的聚（N-異丙基丙烯酰胺）基磁性納米復合水凝膠，研究發現其溫敏性受鐵鹽濃度的影響，并且磁性能受浸泡液鐵鹽濃度、粘土含量以及預聚液的單體濃度的影響。呂英海等人以海藻酸銨、聚乙烯醇和蒙脫石制備得到了具有pH值/鹽濃度雙重敏感性的水凝膠微球，發現該凝膠。

2 展望

作為一種迅速發展的新型功能型高分子材料，智能高分子水凝膠在學術研究和工業應用方面都具有廣闊的發展前景。然而其力學性能，機械強度，響應速率，精確控制以及生物相容性等方面的因素制約了其應用。對其進一步開展深入研究，將對相關領域的技術進步具有重要意義。