高分子材料水凝膠在化工與醫(yī)藥領(lǐng)域的應(yīng)用*

王 爽，張昭炯，楊欣鵬，王 蒙，匡海學(xué)

（黑龍江中醫(yī)藥大學(xué) 教育部北藥基礎(chǔ)與應(yīng)用研究重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室黑龍江省中藥及天然藥物藥效物質(zhì)基礎(chǔ)研究重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，黑龍江 哈爾濱 150000）

水凝膠是一種含有親水基團(tuán)，可在水中溶脹并保存大量水分而不溶解的交聯(lián)聚合物，其主要由高分子聚合物通過化學(xué)鍵力或物理結(jié)合力相互作用，相互交聯(lián)形成三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)[1]。水凝膠根據(jù)其制備原料不同可分為合成高分子水凝膠和天然高分子水凝膠，常用于制備水凝膠的高分子材料主要有：殼聚糖、纖維素、黃原膠、蛋白質(zhì)和瓊脂等[2]。水凝膠兼具固體力學(xué)和流體力學(xué)的性能，加之自身結(jié)構(gòu)具有柔性可塑性強(qiáng)，生物兼容性高等特性使其廣泛應(yīng)用于化工與醫(yī)藥領(lǐng)域。本文主要從水凝膠材料在化工與醫(yī)藥兩大領(lǐng)域的應(yīng)用進(jìn)行詳細(xì)闡述，為水凝膠材料在化工與醫(yī)藥領(lǐng)域的應(yīng)用與發(fā)展提供參考。

1 在化工領(lǐng)域的應(yīng)用

1.1 水凝膠在無(wú)機(jī)化工方面的應(yīng)用

1.1.1 水凝膠在工業(yè)廢水處理方面的應(yīng)用 工業(yè)廢水中含有大量有機(jī)污染物和重金屬難以通過常規(guī)方法去除，而水凝膠材料的出現(xiàn)使這一問題得到轉(zhuǎn)機(jī)。車春波等[3]采用表面接枝共聚法制備納米纖維素/丙烯酸水凝膠并對(duì)其行進(jìn)表征與機(jī)制探討。結(jié)果顯示，納米纖維素/丙烯酸水凝膠熱穩(wěn)定性強(qiáng)、溶脹能力好，對(duì)亞甲基藍(lán)的吸附符合Langmuir 等溫吸附模型且吸附動(dòng)力學(xué)符合準(zhǔn)二級(jí)動(dòng)力學(xué)。譚陽(yáng)等[4]以角蛋白為原料制備溫敏型雙網(wǎng)絡(luò)角蛋白/PNIPAM 水凝膠，并對(duì)其吸附性進(jìn)行研究。研究發(fā)現(xiàn)，角蛋白/PNIPAM 水凝膠主要以化學(xué)吸附形式對(duì)重金屬進(jìn)行吸附,在吸附重金屬Pb（II）過程中僅用30min 即可達(dá)到吸附平衡，最大吸附容量為415.73mg·g-1。Yue等[5]將廢棄塑料制備成兩性塑料水凝膠，在酸性和堿性條件下對(duì)陽(yáng)離子和陰離子都具有良好的吸附性能，最大吸附容量為85.15mg·g-1。此外，該水凝膠還可將Cr（VI）還原成Cr（III），Cr（III）進(jìn)一步通過配位作用和陽(yáng)離子交換進(jìn)行吸附，這將為工廠廢水處理和重金屬污染的治理指明了新方向。

1.1.2 水凝膠在土壤保護(hù)方面的應(yīng)用 水凝膠具有高分子主鏈和親水性官能團(tuán)形成的三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，可作為土壤改良劑用來吸附土壤中的重金屬?gòu)亩鴾p少重金屬對(duì)土壤的損害。Shan 等[6]以纖維素、半纖維素和木質(zhì)素為原料制備出了一種新型吸附水凝膠，并對(duì)其性能進(jìn)行表征。結(jié)果表明，該水凝膠主要通過離子交換自發(fā)產(chǎn)生吸附作用去除土壤中的銅，并且這一過程符合吸附動(dòng)力學(xué)方程。張肖靜等[7]制備的殼聚糖-聚乙烯醇復(fù)合水凝膠對(duì)土壤中總砷的去除總量為3.480mg·g-1，對(duì)總砷的解析率為64.1%～77.0%，這表明殼聚糖-聚乙烯醇水凝膠可有效去除土壤中的砷，對(duì)土壤具有修復(fù)和保護(hù)作用。

1.1.3 水凝膠在海水淡化方面的應(yīng)用 淡水資源的獲取一直是研究熱點(diǎn)，水凝膠因其具有獨(dú)特的三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，可與其它材料結(jié)合發(fā)揮更顯著的作用而備受關(guān)注。李心等[8]設(shè)計(jì)并制備了由太陽(yáng)光吸收體和高分子材料組成的具有制造成本低、可回收、穩(wěn)定性好的一種新型復(fù)合水凝膠，該復(fù)合水凝膠可以充分利用太陽(yáng)光，提高海水淡化效率，從而達(dá)到淡化海水的作用。Zhang 等[9]采用溶膠-凝膠轉(zhuǎn)變和熱冰模板法合成了一種含有微通道結(jié)構(gòu)供水層和納米多孔吸光層的雙層水凝膠凈化裝置。該裝置顯示出了優(yōu)異的抗離子能力、耐高/低pH 值能力以及對(duì)重金屬和有機(jī)染料的優(yōu)異凈化性能，這種水凝膠凈化裝置為海水淡化開辟了新的途經(jīng)。

1.2 水凝膠在有機(jī)化工方面的應(yīng)用

1.2.1 水凝膠在油田開采方面的應(yīng)用 油田的開采過程中由于水的存在常導(dǎo)致采油率降低，為提高采油率，以水凝膠為油田封堵材料引起了廣泛關(guān)注。王雷等[10]研制出一種兩性水凝膠，該水凝膠由羧基化石墨烯GO 和兩性離子基團(tuán)進(jìn)行修飾，在水凝膠體系中引入兩性離子聚合物使其抗鹽度和抗高溫性質(zhì)顯著提高并展現(xiàn)出優(yōu)異的封堵性能，封堵率達(dá)93.8%。劉國(guó)寶等[11]制備出一種具有耐高溫、抗鹽性、穩(wěn)定性、封堵性能好的水凝膠體系，這種水凝膠的封堵率高達(dá)98.35%，突破壓力高達(dá)5.860MPa，能夠在稠油油藏調(diào)堵作業(yè)中發(fā)揮重要作用。

1.2.2 水凝膠在燃料電池方面的應(yīng)用 現(xiàn)有的燃料電池需要質(zhì)子交換膜及燃料儲(chǔ)存供應(yīng)系統(tǒng)，這限制了電池的性能，而高分子材料水凝膠的出現(xiàn)使這一情況得到改善。Kirubaharan 等[12]制備了一種自組裝水凝膠，并對(duì)該水凝膠進(jìn)行了分析。結(jié)果顯示，該水凝膠可增加生物電極的化學(xué)活性和輸出率，提高電池性能的同時(shí)也為生物電化學(xué)系統(tǒng)性能的優(yōu)化提供了方向。邢楷等[13]采用循環(huán)凍融法制備聚乙烯醇水凝膠，利用水凝膠保水性和導(dǎo)電性，將水凝膠作為燃料電池固態(tài)電解質(zhì)使燃料/電解液一體化，實(shí)現(xiàn)微型燃料電池便攜化，從而改善燃料電池性能。

1.2.3 水凝膠在煤礦阻燃方面的應(yīng)用 水凝膠因其具有獨(dú)特的三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，具有高吸水性、高保水性的特點(diǎn)，在煤礦開采中起到阻燃的作用。張俊朋等[14]采用水溶液聚合法制備殼聚糖-丙烯酸-丙烯酰胺水凝膠，并對(duì)水凝膠進(jìn)行了表征。研究發(fā)現(xiàn)，該水凝膠的低臨界溶解溫度為103℃，吸水倍率高達(dá)220，適合煤礦的防滅火。楊苗苗等[15]以化學(xué)交聯(lián)法研制出可用于礦用煤自燃防治高吸水、高保水性的水凝膠。結(jié)果顯示，該水凝膠的溶脹性能、保水性能和固水性能良好，并且該水凝膠在煤自燃過程中使CO 的產(chǎn)生量降低了28.09%～52.78%，抑制了煤的進(jìn)一步氧化。史全林等[16]研制了環(huán)保型彈性水凝膠，解決了傳統(tǒng)水凝膠脆性大、受壓易碎的問題。結(jié)果顯示，該水凝膠受壓回彈后表現(xiàn)出優(yōu)異的彈性變形能力，并且在切割5min 后即可實(shí)現(xiàn)切口的重新交聯(lián)和修復(fù)自愈合，保障對(duì)煤長(zhǎng)期覆蓋的濕潤(rùn)性，有助于更高效控制并熄滅火源。

2 在醫(yī)藥領(lǐng)域的應(yīng)用

2.1 水凝膠在藥物緩釋控釋方面的應(yīng)用

水凝膠材料不僅可以作為藥物載體，而且能夠通過化學(xué)鍵合、溶劑活化和環(huán)境響應(yīng)釋放等機(jī)制實(shí)現(xiàn)藥物的緩釋控釋。在藥物遞送過程中既能保證藥物持續(xù)釋放，又可以保持較高濃度的藥物在局部用藥部位長(zhǎng)時(shí)間停留。候冰娜等[17]以泊洛沙姆為基體制備了可注射的溫敏性海藻酸鈉/泊洛沙姆復(fù)合水凝膠，并對(duì)其進(jìn)行體外藥物釋放性能表征。研究發(fā)現(xiàn)，海藻酸鈉/泊洛沙姆復(fù)合水凝膠對(duì)抗癌藥物吉西他濱具有緩釋作用，藥物釋放時(shí)間可長(zhǎng)達(dá)72h。王莉等[18]通過反相微懸浮聚合制備蛋白質(zhì)/高分子復(fù)合水凝膠微球，并以苯扎氯銨為模擬藥物考察復(fù)合水凝膠微球?qū)Ρ皆蠕@的緩釋行為，結(jié)果顯示，加入單體為1.2mL 時(shí)，總計(jì)釋放率可達(dá)75%。

2.2 水凝膠在創(chuàng)傷傷口敷料方面的應(yīng)用

水凝膠材料因其結(jié)構(gòu)特性可自動(dòng)調(diào)節(jié)傷口濕潤(rùn)度，同時(shí)具有吸收傷口滲液的能力并且不易粘連的特點(diǎn)，具有發(fā)揮創(chuàng)傷傷口局部抗菌作用。岳璇等[19]通過化學(xué)改性將沒食子酸接枝到白及多糖的糖鏈上制備沒食子酸-白及多糖聚合物水凝膠，并以大鼠背部細(xì)菌傷口為模型，觀察到水凝膠具有光熱抗菌和顯著的促傷口愈合的作用。Yang 等[20]以殼聚糖為主要材料制備出具有止血、消毒和促進(jìn)傷口愈合作用的多功能水凝膠敷料，這將為臨床上用于止血和抗感染愈合帶來福音。

2.3 水凝膠在生物組織支架方面的應(yīng)用

水凝膠材料與機(jī)體組織結(jié)構(gòu)的相似性可作為一類重要的生物醫(yī)學(xué)材料，其在生物醫(yī)學(xué)尤其是組織工程方面得到廣泛應(yīng)用[21]。李云杰等[22]制備出能夠滿足軟骨再生需求的水凝膠，研究表明，該種材料具有良好的孔隙率和適宜的成膠時(shí)間，對(duì)周圍細(xì)胞生物相容性好，是軟骨組織工程方面優(yōu)異的支架材料。Cui 等[23]開發(fā)了一種可注射和降解的水凝膠作為軟骨支架，研究結(jié)果顯示，搭載聚乙烯磷酸乙酯-透明質(zhì)酸水凝膠能粘附在大鼠軟骨組織上，顯著改善了大鼠的軟骨再生，從而達(dá)到了更好的治療效果。

2.4 水凝膠在外周神經(jīng)修復(fù)方面的應(yīng)用

水凝膠材料的硬度和黏彈性等力學(xué)性能與機(jī)體神經(jīng)組織相近似，其溶脹后構(gòu)建的致密三維空間結(jié)構(gòu)可促進(jìn)神經(jīng)生長(zhǎng)，是近年來應(yīng)用于神經(jīng)修復(fù)領(lǐng)域的熱點(diǎn)醫(yī)用材料[24]。蔣曦等[25]制備出負(fù)載阿魏酸鈉的泊洛沙姆水凝膠，研究表明，該水凝膠可增強(qiáng)藥物對(duì)損傷脊髓的修復(fù)作用，提高藥物在受損脊髓處神經(jīng)功能重建與神經(jīng)再生的作用效果。Rao 等[26]制備出殼聚糖納米纖維水凝膠，將其與模擬腦源性神經(jīng)營(yíng)養(yǎng)因子和血管內(nèi)皮生長(zhǎng)因子多肽進(jìn)行接枝，進(jìn)而將該材料作為神經(jīng)導(dǎo)管填充物修復(fù)神經(jīng)缺損，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，該材料在損傷早期不僅能促進(jìn)神經(jīng)再生，還能促進(jìn)血管滲透，是修復(fù)神經(jīng)缺損的有效手段。

2.5 水凝膠在人體健康監(jiān)測(cè)方面的應(yīng)用

隨著現(xiàn)代科技的快速發(fā)展，人們面臨的壓力不斷增加，對(duì)身體的健康監(jiān)測(cè)變得至關(guān)重要。黃天龍等[27]以硼砂為交聯(lián)劑，制備了多功能導(dǎo)電復(fù)合水凝膠。該水凝膠具有優(yōu)異的導(dǎo)電性能和高靈敏度的電阻變化，被用作應(yīng)變傳感器進(jìn)一步監(jiān)測(cè)人體健康。宋亞婷等[28]以羧甲基纖維素鈉和丙烯酸為原料制備靈敏度和電自修復(fù)能力好的導(dǎo)電水凝膠。研究發(fā)現(xiàn)，該水凝膠的應(yīng)變傳感器通過電信號(hào)可監(jiān)測(cè)人體細(xì)微或大幅度運(yùn)動(dòng)，展示出了在個(gè)人健康監(jiān)測(cè)和人體運(yùn)動(dòng)檢測(cè)中潛在的應(yīng)用價(jià)值，為各種傳感應(yīng)用的導(dǎo)電水凝膠提供新方向。

3 結(jié)語(yǔ)

隨著科學(xué)技術(shù)的日益發(fā)展和科研手段的不斷提高，新型材料被不斷創(chuàng)新并制造出來，其不僅具有傳統(tǒng)材料固有的理化特性，更具有一些改良的特殊功能。新型材料的研制為基礎(chǔ)科學(xué)研究提供更多選擇和技術(shù)支持，合理有效的將其與實(shí)際應(yīng)用相結(jié)合，將極大的加快研究進(jìn)程并拓展研究空間[29]。高分子材料水凝膠具有獨(dú)特的理化屬性，其在化工領(lǐng)域，特別是工業(yè)廢水處理、土壤保護(hù)、海水淡化、油田開采、燃料電池、煤礦阻燃方面發(fā)揮著不可或缺的作用。同時(shí)，高分子材料水凝膠具有良好的生物相容性，其在醫(yī)藥領(lǐng)域，尤其是在藥物緩釋控釋、創(chuàng)傷傷口敷料、生物組織支架、外周神經(jīng)修復(fù)和人體健康監(jiān)測(cè)方面也具有很高的開發(fā)價(jià)值，是未來最具潛力的材料之一。然而，水凝膠其自身某些特性或制備過程中的影響因素尚存在一些難題有待解決，如：裝載藥物的理化結(jié)合狀態(tài)研究、制備過程的空間塑形研究、高含水量增加與其它基底或電極材料之間的鍵合難度等。相信隨著研究的不斷深入，以上難點(diǎn)將被逐一突破，水凝膠這種新型材料的發(fā)展與應(yīng)用前景將會(huì)得到極大的提升。