智能水凝膠的最新研究進展

馮亞莉

摘 要 本文主要對智能水凝膠的分類和制備方法進行了簡單介紹，并概述了智能水凝膠在藥物控釋、酶的固定、生物支架材料以及農林業等方面的應用。

關鍵詞 智能水凝膠 分類 制備方法 應用

中圖分類號：O648 文獻標識碼：A

水凝膠是一類具有三維網絡結構的親水性高分子材料，能夠在水中顯著溶脹但不溶解。根據對外界刺激的響應情況，水凝膠主要分為傳統水凝膠和智能水凝膠。其中智能水凝膠在藥物控釋、酶的固定和生物工程材料等眾多領域均有廣泛的應用。

1智能水凝膠的分類

根據對外界環境刺激的響應程度，智能水凝膠通常分為溫敏型水凝膠、pH敏感型水凝膠、光敏型水凝膠、電敏型水凝膠以及多重敏感型水凝膠等。

1.1溫敏型水凝膠

溫敏型水凝膠的溶脹性會隨外界環境溫度的改變而改變。傳統溫敏型水凝膠多采用丙烯酰胺為原料，具有一定的毒性且不易降解。現在更多采用的是具有生物相容性、可降解性的殼聚糖、纖維素和海藻酸鈉等天然高分子材料來進行制備。Scherman等制備的溫敏型水凝膠具有可逆性，因此表現出了動態的溫度響應特性。

1.2 pH敏感型水凝膠

pH敏感型水凝膠的溶脹性會隨外界環境pH值的改變而改變。pH敏感型水凝膠中含有大量易水解或質子化的酸、堿基團，如羧基和氨基，這些基團的解離易受外界環境pH值的影響。pH敏感型水凝膠一般分為陰離子型pH敏感水凝膠、陽離子型pH敏感水凝膠和兩性離子型pH敏感水凝膠。Kang等利用鏈轉移自由基聚合反應制備了具有pH和溫度雙重敏感性的智能水凝膠。

1.3光敏型水凝膠

當受到光刺激后，光敏型水凝膠的溶脹性會發生顯著的改變。一般地，在膠體的制備過程中，引入對光敏感的基團或是發色基團，制得的水凝膠即具有光敏性。例如Jiang等制備了具有光響應性的準輪烷水凝膠，這種制備方法為準輪烷系統的應用提供了一個嶄新的研究平臺。

1.4電敏型水凝膠

電敏型水凝膠的溶脹性會隨外加直流電場的改變而改變。電敏型水凝膠溶脹性的改變一般指的是電收縮現象，會有水分從膠體內出來。例如管娟等通過將大豆蛋白（SPI）和羧甲基殼聚糖（CMCS）進行溶液共混，并以環氧氯丙烷作為交聯劑，成功制備了該類水凝膠。在電場的作用下，這種水凝膠表現出很好的電場敏感性。

2智能水凝膠的制備方法

2.1交聯聚合法

一般地，交聯聚合法是指在交聯劑的作用下，由單體經自由基均聚或共聚而制得高分子水凝膠。這種方法使用的單體一般有醋酸乙烯酯系列、丙烯酸系列等，用到的交聯劑主要是N，N'-亞甲基雙丙烯酰胺、雙丙烯酸聚乙二醇酯等。例如徐盈佳等采用水溶液自由基聚合法制備了聚N-異丙基丙烯酰胺（PNIPA）。

2.2接枝共聚法

接枝共聚法指的是用共價鍵連接a-烯烴類單體來制備高分子水凝膠。目前最常用的單體主要是丙烯酸、丙烯胺和丙烯酰胺等，引發劑主要是硝酸鈰銨以及復合引發劑，也可用過氧化物、氧化還原引發劑等。例如El-Zawawy等通過把乙烯醇和丙烯酰胺接枝到造紙廢料中的紙漿黑液上制得了溶脹性能較好的環保型水凝膠。

2.3互穿網絡法

互穿網絡法指的是高分子聚合物間通過網絡互穿的方式來制備智能水凝膠。與其它制備水凝膠的方法相比，互穿網絡技術的主要優勢是能使兩種或兩種以上的功能和性能均不同的聚合物進行穩定的結合。

3智能水凝膠的應用

由于能夠對環境刺激產生響應，智能水凝膠在藥物控釋、組織材料、生物工程、農林業等很多領域的應用都表現突出。

智能水凝膠用于藥物控釋方面的優勢是能夠根據人體環境的不同變化來控制藥物的釋放速率，并能延長藥物在治療或吸收部位的停留時間，從而能有效地治療疾病。例如Juntanon等以PVA作為基質，磺基水楊酸為模型藥物合成了電敏型載藥水凝膠。這類水凝膠可以通過調節電場強度或改變電極來控制藥物的釋放速率。

智能水凝膠在酶的固定、生物工程材料、農林業方面等領域也有非常廣泛的應用。例如利用智能水凝膠作為基質制備可溶性固定化酶，可有效克服傳統酶固定方法的不足；利用智能水凝膠制備的生物工程材料具有良好的生物相容性和活性。

綜上所述，智能水凝膠材料具有很多優點，然而也有不足之處，如機械強度差，響應速率慢，性能不穩定等。因此對于其性能的改善還有許多工作要做。這就促使人們在今后要對智能水凝膠的各種性能進行進一步的研究和探索，制備出性能更優異的智能水凝膠。

參考文獻

[1] E. A. Appel， F. Biedermann， U. Rauwald， S.T. Jones， J. M. Zayed and O. A.Scherman，Supramolecular Cross-Linked Networks via Host Guest Complexation with Cucurbit[8]uril[J]，J Am Chem Soc， 2010， （132）， 14251.

[2] T. Cai， W. J. Yang， Z. Zhang， X. Zhu， K. G.Neoh.Preparation of stimuli-responsivehydrogel networks with threaded [smallbeta]-cyclodextrin end-capped chains via combinationof controlled radical polymerization and clickchemistry[J]，Soft Matter， 2012， （8）， 5612.

[3] X. Liao， G. Chen， X. Liu， W. Chen， F. Chen andM. Jiang， Photoresponsive pseudopolyrotaxane hydrogels based on competition of host-guest interactions[J]，Angewandte Chemie， 2010， （122）， 4511.

[4] 管娟，許惠心，黃郁芳，等.天然高分子電場敏感水凝膠 - 大豆蛋白 /羧甲基殼聚糖體系[J].化學學報，2010，68（1）：89-89.