水凝膠簡介知識講解

1、此文檔僅供收集于網(wǎng)絡(luò)，如有侵權(quán)請聯(lián)系網(wǎng)站刪除 水凝膠簡介 水凝膠是一種具有親水性的三維網(wǎng)狀交聯(lián)結(jié)構(gòu)的高分子網(wǎng)絡(luò)體系。 水凝膠性質(zhì)柔軟， 能 保持一定的形狀，能吸收大量的水，具有良好的生物相容性和生物降解性。自從 20 世紀(jì) 50 年代由 Wichterle 等首次報道后，就被廣泛地應(yīng)用于組織工程、藥物輸送、 3D 細胞培養(yǎng)等醫(yī) 藥學(xué)領(lǐng)域。 1 水凝膠根據(jù)交聯(lián)方式不同， 分為物理交聯(lián)水凝膠和化學(xué)交聯(lián)水凝膠。 物理凝膠是指通過 靜電力、氫鍵、疏水相互作用等分子間作用力交聯(lián)形成的水凝膠。這種水凝膠力學(xué)強度低， 溫度升高會轉(zhuǎn)變成溶膠。 化學(xué)交聯(lián)水凝膠是指通過共價鍵將聚合物交聯(lián)成網(wǎng)絡(luò)的凝膠。 其中， 共

2、價鍵通過“點擊”反應(yīng)生成，比如硫醇-烯 /炔加成、硫醇 -環(huán)氧反應(yīng)、疊氮 -炔環(huán)加成、席 夫堿反應(yīng)、環(huán)氧 - 胺反應(yīng)、硫醇 -二硫化物交換反應(yīng)等。 Gao Lilong 等在生理條件下將 N,N- 二 甲基丙烯酰胺、甲基丙烯酸縮水甘油酯和聚低聚乙二醇巰基丁二酸通過巰基- 環(huán)氧“點擊” 反應(yīng)制備得到可注射水凝膠。 2和物理凝膠相比，化學(xué)交聯(lián)水凝膠穩(wěn)定性較好，力學(xué)性能優(yōu) 異。根據(jù)來源不同， 水凝膠又可分為天然水凝膠和合成水凝膠。天然水凝膠包括瓊脂、 殼聚 糖、膠原、明膠等，它們大都通過氫鍵交聯(lián)形成。合成水凝膠包括聚乙二醇、 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

3、酰胺等）。和合成水凝膠 相比，天然水凝膠生物相容性較好，環(huán)境敏感性好，價格低廉，但穩(wěn)定性較差。目前，有學(xué) 者將天然高分子和合成高分子交聯(lián)制備雜化水凝膠。比如，Lei Wang等將殼聚糖和聚異丙基 丙烯酰胺交聯(lián)得到熱敏性雜化水凝膠用于體內(nèi)藥物輸送，并利用近紅外光引發(fā)藥物釋放。3 水凝膠憑借良好的生物相容性廣泛地應(yīng)用于藥物輸送、 組織再生等醫(yī)藥學(xué)領(lǐng)域。 藥物可 以通過化學(xué)接枝和包埋等方式實現(xiàn)負載。負載藥物的水凝膠通過移植或注射進入生物體內(nèi)， 然后在體內(nèi)逐漸降解實現(xiàn)藥物的緩慢釋放。 為了更好地實現(xiàn)藥物的輸送和釋放， 智能水凝膠 應(yīng)運而生，所謂智能水凝膠，是指能夠?qū)ν饨绛h(huán)境的變化，比如pH、溫度等做出

4、反應(yīng)的水 凝膠，從而實現(xiàn)藥物的可控釋放。其中，溫度響應(yīng)水凝膠有聚（N-異丙基丙烯酰胺）基水凝 膠、泊洛沙姆等， pH 響應(yīng)水凝膠有聚（甲基丙烯酸二甲氨基乙酯）基水凝膠、聚（乙酸烯 丙酯）基水凝膠、腙鍵交聯(lián)型水凝膠等。 M. Ghorbanloo 等制備得到 pH 響應(yīng)的水凝膠，在 酸性條件下，由于氫鍵的存在藥物被緊緊包裹在水凝膠中，而在堿性條件下，氫離子電離， 羧酸根之間的靜電排斥使得水凝膠擴張，體積變大，藥物得以釋放。4Yi Chen等合成2-（二 甲氨基 ）甲基丙烯酸乙酯和羧甲基殼聚糖水凝膠，實驗發(fā)現(xiàn)，在酸性條件下，可以更好地實 現(xiàn)藥物的持續(xù)緩慢的釋放。 5 傳統(tǒng)的水凝膠由于自身結(jié)構(gòu)的不均

5、勻性和缺少能量耗散機制， 力學(xué)性能， 恢復(fù)性和自愈 和性較差， 不能滿足其在醫(yī)學(xué)和藥學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用的要求。 目前， 改善水凝膠力學(xué)性能的方法 主要有雙網(wǎng)絡(luò)水凝膠、 滑環(huán)水凝膠、 納米復(fù)合水凝膠等。 雙網(wǎng)絡(luò)水凝膠的合成方法是首先合 成一個具有緊密交聯(lián)的剛性網(wǎng)絡(luò)的凝膠， 然后將該網(wǎng)絡(luò)放入另一單體溶液中溶脹， 最后在剛 性網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)上生成一個具有疏松交聯(lián)的柔性網(wǎng)絡(luò)的凝膠。 雙網(wǎng)絡(luò)水凝膠的力學(xué)增強性能主 要取決于剛性網(wǎng)絡(luò)， 當(dāng)雙網(wǎng)絡(luò)水凝膠受力時， 剛性網(wǎng)絡(luò)發(fā)生斷裂， 而柔性網(wǎng)絡(luò)由于受剛性網(wǎng) 絡(luò)的保護不會斷裂。雙網(wǎng)絡(luò)水凝膠根據(jù)交聯(lián)類型不同可分為完全化學(xué)交聯(lián)水凝膠、物理-化 學(xué)混合交聯(lián)水凝膠和完全物理交聯(lián)水

6、凝膠。 為了使斷裂的剛性網(wǎng)絡(luò)可回復(fù)， 剛性網(wǎng)絡(luò)往往是 通過物理交聯(lián)形成的。 Md. Anamul Haque 等合成了聚( 2-丙烯酰胺基 -2-甲基丙磺酸) /聚丙 烯酰胺雙網(wǎng)絡(luò)水凝膠，實驗發(fā)現(xiàn)，雙網(wǎng)絡(luò)的撕裂能為4400 J/m 2,在相同的聚合物濃度下，比 兩個單網(wǎng)絡(luò)水凝膠都要高出100-1000倍。6近年來，Yixi Wang等學(xué)者合成了三網(wǎng)絡(luò)水凝膠， 其力學(xué)性能又進一步增強。Takuya Murakami等8將巰基化B -環(huán)糊精和2-羥丙基-3 -環(huán)糊精 串到聚烯丙基縮水甘油醚 -聚乙二醇 -聚烯丙基縮水甘油醚三嵌段共聚物上，嵌段共聚物兩端 的碳碳三鍵可以和巰基化3-環(huán)糊精上的巰基反應(yīng)

7、實現(xiàn)交聯(lián)，從而成功合成了滑環(huán)水凝膠。 實驗發(fā)現(xiàn)， 該滑環(huán)水凝膠具有較高的儲存模量和較好的韌性及拉伸性。 納米復(fù)合水凝膠是指 將納米尺寸的無機物顆粒分散在水凝膠中形成的復(fù)合材料。Pang Zhu等9合成了氧化石墨烯 /P(AM-CO- PEGMA)/a -環(huán)糊精雙交聯(lián)納米復(fù)合水凝膠，該水凝膠不僅具有較強的斷裂強度和 斷裂伸長率，而且具有優(yōu)異的可恢復(fù)性。首先將丙烯酰胺和PEGMA共聚，得到的共聚物聚 丙烯酰胺鏈段的側(cè)鏈上的氨基和氧化石墨烯表面的含氧官能團以氫鍵交聯(lián)，形成第一個交聯(lián) 體系，隨后a -環(huán)糊精由于內(nèi)腔疏水，會串到PEGMA鏈段的側(cè)鏈上，形成輪烷結(jié)構(gòu)，輪烷間 又通過氫鍵交聯(lián)， 形成第二個交

8、聯(lián)體系。 這種雙交聯(lián)結(jié)構(gòu)賦予納米復(fù)合水凝膠以優(yōu)異的力學(xué) 性能。實驗發(fā)現(xiàn)，該水凝膠的斷裂伸長率和斷裂強度分別高達1800%、 660 kPa。此外， 在高溫下，將直型水凝膠彎曲為 U 型并迅速冷卻定型后，放入熱水中，水凝膠由于氫鍵的 斷裂逐漸恢復(fù)伸直。 水凝膠憑借其多種優(yōu)異的性能廣泛地應(yīng)用于不同的領(lǐng)域，比如干旱地區(qū)的抗旱， 在化妝 品中的面膜、退熱貼、鎮(zhèn)痛貼、 農(nóng)用薄膜、建筑中的結(jié)露防止劑、調(diào)濕劑、石油化工中的 堵水調(diào)劑，原油或成品油的脫水，在礦業(yè)中的抑塵劑，食品中的保鮮劑、增稠劑，醫(yī)療中的 藥物載體等等。 水凝膠具有多孔結(jié)構(gòu)，具有良好的吸附性，此外， 水凝膠上能電離的官能團 可以通過靜電作用吸

9、附一些帶電物質(zhì)。 ZhiCheng Yuan 等10合成了負載八羧基鐵酞菁的聚乙 二醇基水凝膠用于對羅丹明B的光催化降解，取得了良好的效果。Yongjiang Zheng等11合成 了 PAA/Alg/DBM 雙網(wǎng)絡(luò)水凝膠作為細胞載體用于骨再生，發(fā)現(xiàn)成骨性能優(yōu)異。 只供學(xué)習(xí)與交流 參考文獻 1 .Yu H S, Wang Y N, Yang H Y, Peng K, Zhang X Y. Injectable self -healing hydrogels formed via thiol/disulfide exchange of thiol functionalized F127 and

10、dithiolane modified PEG. J Mater Chem B, 2017, 5(22): 4121 -4127. 2 .Gao L, Li X, Wang Y, Zhu W, Shen Z, Li X. Injectable thiol -epoxy “ click ” hydroJgoeulrsn. al of Polymer Science Part A: Polymer Chemistry, 2016, 54(17): 2651 -2655. 3 . Wang L, Li B, Xu F, Xu Z, Wei D, Feng Y, et al. UV-crosslink

11、able and thermo -responsive chitosan hybrid hydrogel for NIR -triggered localized on -demand drug delivery. Carbohydrate polymers, 2017, 174: 904-914. 4 . M. Ghorbanloo A H. pH Sensitive Hydrogel Based Acrylic Acid for Controlled Drug Release. Physical chemistry research, 2017, 5: 185-193. 5 .Yi Che

12、n W L, Guangsheng Zeng, YueJun Liu. Microporous PDMAEMA -based stimuli -responsive hydrogel and its application in drug release. J Appl Polym Sci 2017, 134(38): 45326. 6 . Haque M A, Kurokawa T, Gong J P. Super tough double network hydrogels and their application as biomaterials. Polymer, 2012, 53(9

13、): 1805 -1822. 7 . Wang Y, Yan J, Wang Z, Wu J, Meng G, Liu Z, et al. One-pot fabrication of triple -network structure hydrogels with high-strength and self-healing properties. Materials Letters, 2017, 207: 53-56. 8 .Murakami T, Schmidt B V K J, Brown H R, Hawker C J. Structural Versatility in Slide

14、 -Ring Gels: Influence of Co-Threaded Cyclodextrin Spacers. Journal of Polymer Science Part A: Polymer Chemistry, 2017, 55(7): 1156 -1165. 9 .Zhu P, Deng Y, Wang C. Graphene/cyclodextrin -based nanocomposite hydrogel with enhanced strength and thermo -responsive ability. Carbohydrate polymers, 2017, 174: 804-811. 10 . Zhicheng Yuan D C. Fabrication and photocatalytic behavior of a novel nanocomposite hydrogels containing Fe -octacarboxylic acid phthalocyanine. J Appl Polym Sci, 201