水凝膠應用現狀及研究進展

摘 要：水凝膠（Hydrogel）是以水為分散介質的凝膠。具有網狀交聯結構的水溶性高分子中引入一部分疏水基團和親水殘基，親水殘基與水分子結合，將水分子連接在網狀內部，而疏水殘基遇水膨脹的交聯聚合物。是一種高分子網絡體系，性質柔軟，能保持一定的形狀，能吸收大量的水。本文主要敘述了水凝膠的研究歷史、形成原理、分類、制法，簡要介紹了其應用現狀，并對展望其研究進展。

關鍵詞：水凝膠 高分子材料 研究 應用

一、研究歷史

1、美國約翰·霍普金斯大學醫學院報告稱，他們開發出一種新型水凝膠生物材料，在軟骨修復手術中將其注入骨骼小洞，能幫助刺激病人骨髓產生干細胞，長出新的軟骨。在臨床試驗中，新生軟骨覆蓋率達到86%，術后疼痛也大大減輕。論文發表在2013年1月9日出版的《科學·轉化醫學》上。

2、埃里希還說，研究小組正在開發下一代移植材料，水凝膠和黏合劑就是其中之一，二者將被整合為一種材料。此外，她們還在研究關節潤滑和減少發炎的技術。

3、加拿大最新的研究顯示，水凝膠（Hydrogel）不僅有利于干細胞（Stem cell）移植，也可加速眼睛與神經損傷的修復。研究團隊指出，像果凍般的水凝膠是干細胞移植的理想介質，可以幫助干細胞在體內存活，修復損傷組織。

4、中國科學院蘭州化學物理所研究員周峰課題組利用分子工程，設計制備出一種具有雙交聯網絡的超高強度水凝膠，大大提高了水凝膠的機械性能。相關研究已發表于《先進材料》。

5、據國外媒體報道，美國加州大學圣迭戈分校的納米科學工程師日前研發出了一種凝膠，這種凝膠中含有能夠吸附細菌毒素的納米海綿。這種凝膠有望用于治療抗藥性金黃色葡萄球菌（methicillin-resistant Staphylococcus aureus，MRSA。這種細菌產生了對所有青霉素的抗藥性，常常被稱作“超級細菌”）導致的皮膚和傷口上的感染。在不使用抗生素的情況下，這種“納米 海綿水凝膠”能夠把被抗藥性金黃色葡萄球菌感染的小鼠皮膚上的損傷減小到最小。這項研究日前發表在學術期刊《先進材料》（Advanced Materials）上。

二、形成原理

凡是水溶性或親親水性的高分子，通過一定的化學交聯或物理交聯，都可以形成水凝膠。這些高分子按其來源可分為天然和合成兩大類。天然的親水性高分子包括多糖類（淀粉、纖維素、海藻酸、透明質酸，殼聚糖等）和多肽類（膠原、聚L-賴氨酸、聚L-谷胺酸等）。合成的親水高分子包括醇、 丙烯酸及其衍生物類（聚丙烯酸，聚甲基丙烯酸，聚丙烯酰胺，聚N-聚代丙烯酰胺等）。

三、制法

一種保水凝膠的制法，即先將氫氧化鈉溶于水中，并加入丙烯酸進行預處理；再依次加入玉米淀粉、丙烯酰胺和碳酸鈣，攪拌加溫反應后，加入引發劑進行接枝聚合反應；然后將反應后的液體倒入模具中，恒溫干燥即可。其產品組分（重量百分比）包括：玉米淀粉4.5-4.7，丙烯酸21.4-22.5，丙烯酰胺9-9.5，過硫酸銨3.2-4.5，碳酸鈣4.5-4.7，氫氧化鈉9.5-9.9，水余量。有工藝簡單，產品無毒、可生物降解和應用廣闊等優點。

四、應用現狀

1、創傷敷科

水凝膠材料直接用于與人體組織接觸，可以防止體外微生物的感染，有效的防止體損失并且能夠傳輸氧分到傷口，一般說來能促進傷口的愈合。

2、形狀記憶材料

形狀記憶材料是指能夠感知環境變化的刺激，并響應這種變化，對其狀態參數進行調整的材料。形狀記憶材料高分子具有可恢復形變量大、使用面廣、價格便宜等特點。

3、生物酶的固定

酶的固定化是用固體材料將酶束縛或限制于一定區域內，仍能進行其特有的催化反應、并可回收及重復使用的一類技術。游離酶由于不穩定和易變性等缺點，使它們難以在工業中得到更為廣泛的應用。此外分離和提純酶以及它們的一次性使用也大大增加了其作為催化劑的成本。正是在這種背景下，固定化酶的概念和技術得以提升和發展，酶的固定化技術使上述缺點得以克服。

4、保水抗旱

保水抗旱水凝膠作為一種高效抗旱保水劑能在較短時間內吸收超越自身重量幾百甚至上千倍的水，并且能緩慢的釋放出來。可以反復使用，具有優良的保水抗旱性能，歐美國家早已開始大面積應用，解決農業缺水問題，確定了其抗旱保水良好效果，顯示出在農業生產中的巨大作用。農業保水抗旱水凝膠主要用途為：用作農用土壤保水劑，可節約水資源，減少灌溉；用作農膜防霧劑，可提高透光率；用作種子涂覆劑，可提高出芽率，吸收農藥、化肥后，具有控釋放作用。

五、研究進展

水凝膠所具有的優異性能已經并還在引起人們的廣泛關注，導致其研究與開發、生產與銷售得到長期發展。但是，隨著水凝膠應用領域的拓展而對其性能提出了更高的要求，研制與開發性能更為優良的高分子水凝膠材料已成為目前的研究熱點，其中環境敏感性高分子水凝膠材料、超強吸水性高分子水凝膠材料的吸液速率、耐鹽性和凝膠強度的提高則得到人們的廣泛關注。

1、ph敏感水凝膠：在細胞分離、固定化酶、控制釋放藥物及靶向釋放等領域的應用研究日益活躍，并顯示出較好的應用前景。其用于酶等生物活性分子的固定化時，可通過控制條件而實現均相反應和異相分離的有效統一，而當用于藥物控制釋放研究時則又可隨相變用于不同場合，這將使其在生物活性分子及生物醫用高分子研究中具有重要意義。

2、溫度敏感性水凝膠：許多研究表明，有些水凝膠的溶脹比隨溫度的升高而增加，反之則降低，表現為熱脹性。這種特性對于水凝膠的應用，尤其在藥物的控制釋放領域的應用領域有重要意義。

3、電場敏感性水凝膠：目前利用電場敏感性水凝膠控制藥物釋放的研究尚處于起步階段。電場敏感性水凝膠的優點在于藥物釋放速度可以通過調整電場強度來控制，簡單方便；缺點在于對電場變化的響應慢、需要可控制的電場提供裝置，而且大多數電場敏感性水凝膠需要在沒有電解質的條件下發揮作用，而在生理條件下，不容易達到要求。

4、光敏感性水凝膠：光敏感性水凝膠分為紫外光敏感性水凝膠和可見光敏感性水凝膠兩種，其中可見光鏈家；安全、易于操縱。

參考文獻：

[1] Guo J J， Liu X Y， Jiang N， Yetisen A K， Yuk H， Yang C X， Khademhosseini A， Zhao X H， Yun S H*， Highly Stretchable， Strain Sensing Hydrogel Optical Fibers， Adv Mater， 2016， DOI：10.1002/adma.201603160.

作者簡介：楊家杰，（1997.7.16—），男，漢族，浙江紹興人，本科，研究方向：高分子材料。