水凝胶的应用与研究进展

水凝胶的应用与研究进展王萃萃杨伟平许戈文

安徽大学化学化工学院，安徽省绿色高分子材料重点实验室，合肥，2 0 3 309

摘要：水凝胶是一类具有广泛应用前景的高分 A d s n。人研制的聚氨酯创伤敷料由两层结构组 d io等。 子材料，本文主要叙述了水凝胶在生物医学、记忆元成，一层是亲水性聚氨酯泡沫材料，另一层是聚氨酯件开关、生物酶的固定、农业中的保水抗旱等领域的水凝胶。水凝胶层覆压于泡沫层上，两者之间通过粘 应用及研究进展，侧重介绍了聚氨酯水凝胶的应用研 合剂或辐射交联反应的方法结合。在这种聚氨酯敷料 u u u究，简要介绍了水凝胶在国内外研究状况，最后对其中，P泡沫层与伤口直接接触，P水凝胶层起着对P泡沫的支撑及连接作用。类似的产品还有A i a公司 v tr发展趋势作了展望。生产的H d a o b U料以及 T c公司的 H d o o m y r s rP敷 yo y r fa敷料。H jk M a e等用藻酸钙纤维制成S r a g n o b l o水凝水凝胶是一类具有亲水基团，能被水溶胀但不溶胶，该敷料与伤口渗液接触后形成光滑的凝胶体，可于水的具有三维网络结构的聚合物。它在水中能够吸有效清创且使伤口表面的细胞残屑、细菌、微生物等

关键词：水凝胶；聚氨酯；应用；进展

收大量的水分显著溶胀，并在显著溶胀之后能够继续被包裹、锁定在凝胶体中，而且在藻酸钙与伤口渗液保持其原有结构而不被溶解。它能够感知外界刺激的中的钠离子结合形成凝胶的同时将钙离子释放，伤口 微小变化，如温度、p值、离子强度、电场、磁场 H表面钙离子的大量集结可加速创面止血，促进创面愈等，并能够对刺激发生敏感性的响应，常通过体积的溶胀或收缩来实现。水凝胶的这一特点使它在生物医学领域、记忆元件开关、生物酶的固定、农业中的保水抗旱等方面有广泛的应用前景。 聚氨酯 (U具有良好的生物相容性和优良的物理 P)机械性能，对人体具有良好的生理可接受性，并且可以保持长期人体植入的稳定性，通过改变分子链合。

1 12药物释放载体 ..近年来，全世界大力开发能将最低药物量长时间地维持在患

部的药物传送系统 (D ) D S。当水凝胶被移植或注射到生物体后，水凝胶能够维持或向体液控制释放包埋在水凝胶中的药物，从而发挥疗效。M y t iaa等…制备了抗原一体敏感性水凝胶，该凝胶的溶胀抗行为可响应自由兔抗原 r b i I G度的变化，且该 abt g浓凝胶具有专一的抗原识别性，只响应兔抗原的浓度变

中软硬段的组成可以改变聚氨酯的物理化学性能。 由P聚合物制备所得的P水凝胶综合了水凝胶和 U U P两者的优点，引起人们很大的研究兴趣，并已经在 U生物医学领域中得到良好的应用。本文主要介绍水凝胶的应用与研究进展，侧重介绍聚氨酯水凝胶的应用研究。

化，对羊抗原无响应性。H l ia等以P O a ld y E、二异氰酸酯及小分子多元醇为原料合成了用于口腔给药的聚氨酯水凝胶载体，在含药物成分的溶液中形成自粘性载药凝胶，可以直接粘附于口腔溃疡面等患处给药。 Le o—yn e D o H u等研制了具有两性分子结构的用于药物载体的P水凝胶，先将异佛尔酮二异氰酸酯 (P I u ID ) 与二羟甲基丙酸 (M A反应生成预聚物，然后与聚丁 DP)二醇 (B ) P G进行扩链反应，再与甲基丙烯酸二羟乙酯

1水凝胶的应用、

1 1在生物医学领域中的应用 . 1 1 1创伤敷料 ..水凝胶材料直接用于与人体组织接触，可防止体 (E A反应，引入可反应的乙烯基基团，希望载人的 HM )外微生物的感染，有效的防止体液的损失，并且能药物如核黄素或消炎痛等溶解于所得的离聚物水溶液够传输氧分到伤口，一般说来能促进伤口的愈合。 中，得到载药水凝胶。 现已投入市场形成商品化。在中欧，注册商标为H R D 11 3角膜接触眼镜 ..或A U 2 E的水凝胶烧伤敷料，销售前景看好，这 OAGL角膜接触镜是一种精致的眼科医疗工具，具有矫种产品是通过辐射法制备的。这种敷料也可制成喷正视力和追求美观的作用，其透气性和生物适应性雾液、乳液或膏状，一些消炎药物也可包埋其中， 是设计及改进接触镜的重点课题。采用水凝胶材料透过凝胶缓慢地释到受伤部位，加速伤口的愈合。 制造的角膜接触镜具有配

戴舒适、透氧性好及可辅

6环球聚氯 0酯网

水凝胶的应用与研究进展

O H M )两种载体材料，并用其包埋 a胰凝乳蛋白一 助治疗眼疾等优点，成为主要的角膜接触镜制造材 C— E A]料。H s h e等人用聚乙二醇和聚丙二醇与 4一酶，利用载体材料的温敏性，分别在一定温度范围内 a c k L,4 次后，发现亚甲基双环己基二异氰酸酯 ( l M I、异佛尔酮二连续控制和调节两种固定化酶连续催化8 H2D)固定化酶活力并没有明显下降。这种温度敏感型水凝异氰酸酯制备了用于接触眼镜的非离子型聚氨酯水胶固定酶的方法可以避免对酶的活力造成伤害，并且还提高了酶的稳定性和重复使用率。这也为进一步开发性能优良的固定化酶，研究其酶促反应提供必要的实验依据和理论基础。 14在保水抗旱上的应用 . ID的混合物，由于 ID具有不对称的结构，同样也 PI PI保水抗旱水凝胶作为一种高效抗旱保水剂能在较减小了硬段的结晶性，从而提高了水凝胶的溶胀性和含水率，并具有足够的透明度。另外由于扩链剂和交短时间内吸收超越自身重量几百甚至上千倍的水，并联剂的存在，使水凝胶的机械性能得到了提升。 且能缓慢的释放出来。可以反复使用，具有优良的保此外，水凝胶还可用于制造人造皮肤、生物传感水抗旱性能，欧、美、日本、以色列等国家，早已开器等。 始大面积应用，解决农业缺水问题，确定了其抗旱保水良好效果，显示出在农业生产中的巨大作用。农业 12在形状记忆材料上的应用 . 形状记忆材料是指能够感知环境变化 (如温度、 保水抗旱水凝胶主要用途为：用作农用土壤保水剂，凝胶，所用扩链剂为乙二醇 ( G,交联剂为三羟甲 E)基丙烷 (M )聚氧化丙烯醚三醇 ( l r c l 2, TP及 P u a o 7 6 M= 9 0。P G n 2 0 ) P引入到 P G段中，减少了P G段的 E软 E链对称性，降低了结晶程度，异氰酸酯采用 H 2 D和 lM I

力、电磁、溶剂等)的刺激，并响应这种变化，对其状态参数 (如形状、位置、应变等)行调整的材料进 E0 l1形状记忆材料种类很多，包括形状记忆合金、 非金属形状记忆材料和形状记忆高分子等。其中，形

状记忆高分子具有可恢复形变量大、使用面广、价格便宜等特点，自2世纪8年代以来发展迅速，并日益 0 0。

可节约水资源，减少灌溉；用作农膜防雾剂，可提高透光率；用作种子涂覆剂，可提高出芽率；吸收农药、化肥后，具有控释放作用，能提高药效；用作苗木移载，可提高成活率，适用于远距离输送树苗；此项目成功开发建设将大大促进农业发展。

受到广泛重视。水凝胶是形状记忆高分子中的一类， 2、水凝胶的研究进展利用水凝胶的体积膨胀和收缩特性合成形状记忆型水水凝胶所具有的优异性能已经并还在引起人们的凝胶是水凝胶领域的新发展方向。n等 利用互穿广泛兴趣，使其研究与开发、生产与销售得到长期发卜网络技术合成了多种具有形状记忆效应的水凝胶。这展。然而，随着水凝胶应用领域的扩展而对其性能提些水凝胶由两部分构成：控制单元和基体单元。控制出了更高要求，研制和开发性能更为优良的高分子水单元对外界刺激能产生响应，而基体单元则主要提供凝胶材料已成为目前的研究热点，其中环境敏感性高支持作用。通过在凝胶化过程中预先设置各种图案， 分子水凝胶材料、超强吸水高分子水凝胶材料的吸液使合成的水凝胶在发生响应时能呈现出各种不同的形速率、耐盐性和凝胶强度的提高则得到人们的广泛关状。当外界刺激去除时，又能恢复至原样，从而表现注。 出记忆行为。同其它记忆材料相比，形状记忆水凝胶 2 1 p敏感水凝胶的研究进展 . H能够对多种刺激发生响应，且响应幅度大¨ 。 1 8年，T n k 首次报道陈化后的丙烯酰胺 90 aaa 1 3在生物酶的固定上的应用 .凝胶具有p值敏感性，引起了人们极大的兴趣，随后 H酶的固定化是用固体材料将酶束缚或限制于一定有关p值敏感性水凝胶的报道越来越多。这类水凝胶 H区域内，仍能进行其特有的催化反应、并可回收及重的溶胀或去溶胀是随p值的变化而发生变化的。一般 H复使用的一类技术。游离酶由于不稳定和易变性等来说，具有p响应性的水凝胶都是通过交联而形成大 H缺点，使它们难以在工业中得到更为广泛的应用。此分子网络，网络中含有酸性或碱性基团，随着介质 p H外，分离

和提纯酶以及它们的一次性使用也大大增加值、离子强度改变，这些基团发生电离，导致网络内 其作为催化剂的成本。正是在这种背景下，固定化酶大分子链段间氢键的解离，引起不连续的溶胀体积变的概念和技术得以提出和发展，酶的固定化技术使上化。 述缺点得以克服。其中温度敏感性水凝胶由于其在临 p敏感性高分子水凝胶材料在细胞分离、固定化 H界温度附近溶胀度显著变化的特点，使其已成为固定酶、控制释放药物及靶向药物等领域的应用研究日益化酶的一种理想包埋载体“ 。活跃，并显示出较好的应用前景。其用于酶等生物活根据优化结果，张传梅等“等制备出了聚丙烯酰性分子固定化时，可通过控制条件而实现均相反应和副

胺/一 2甲基丙烯酸羟基乙酯[P A— oH M )和聚N一异相分离的有效统一，而当用于药物控制释放研究时 (M c- E A] 异丙基丙烯酰胺/一 2甲基丙烯酸羟基乙酯[ N P M 则又可随相变而用于不同场合，这将使其在生物活性 P( I A—

W Wpw r. m W u olc 61 do

水凝胶的应用与研究进展

分子及生物医用高分子研究中具有重要意义。在p H敏感性水凝胶中经常加入一些酶，来改变水凝胶局部微小环境的p,如葡萄糖氧化酶，能将葡萄糖转化为 H葡萄糖酸而降低局部的p值，从而影响p敏感性水凝 H H胶的膨胀。p敏感性水凝胶可以被包封到胶囊或硅树 H

应用也有其本身的局限性。如合成水凝胶的单体和交联物不具有生物相容性，即可能具有毒性、致癌性、

致畸性；而且N P A及其衍生物不能生物降解。因 IAm此，在用于临床前，还需要进行大量的毒理学实验， 并进一步开发新型生物相容性、生物可降解性水凝脂基质中来调节药物的释放，在硅树脂基质体系中， 胶。 PA P O成半IN A和 E形 P,不同的水溶性和分配性质的模 2 3其他类型水凝胶的研究进展 .型药物 (括水杨酰胺、烟酰胺、可乐定和泼尼松龙包 2 3 1电场敏感性水凝胶 ..等)的释放模式均与水凝胶的膨胀有关：在p= 2 H 1时，目前利用电场敏感性水凝胶控制药物释放的研究网络的膨胀率低，药物的释放有限；当p: . u,网尚处于起步阶段。电场敏感性水凝胶的优点在于药物 H 6 8, - j络离

子化，膨胀率高，药物释放。 另外，p敏感性水凝胶还被用于制备生物传感器 H和渗透开关。但是p敏感性水凝胶所固有的局限性在 H于其不具有生物降解性，使用后需从体内取出，在口 服给药中，其非生物降解性并不成问题，但在植入给

释放速度可以通过调整电场强度来控制，简单方便； 缺点在于对电场变化的响应慢、需要可控制的电场提供装置，而且大多数电场敏感性水凝胶需要在没有电解质的条件下发挥作用，而在生理条件下，不容易达到要求。 2 3 2光敏感性水凝胶 ..光敏感性水凝胶分为紫外光敏感性水凝胶和可见

药系统或植入型生物传感器中较为严重。因此，需要开发可生物降解性的p敏感性聚合肽类、蛋白质和聚 H

糖类水凝胶。 光敏感性水凝胶两种，其中可见光廉价、安全、易于 22温度敏感性水凝胶的研究进展 .操纵。紫外光敏感性水凝胶可以通过含有二 (一甲 4二 1 8年 T n k引道了聚 N异丙基丙烯酰胺氨基 )基甲烷氰化物的聚合物网状结构制得。三苯 94 aa a报一苯 (N P A ) P I A m水凝胶具有温敏性特征，在低温下溶胀， 基甲烷无色氰化物在紫外线的照射下电离，在恒定的

在高温下收缩，其特点是存在一个温度转变区域一低临界相变温度或低临界溶解温度 (C T,当水凝胶在 LS )低于这一温度时凝胶溶胀，超过该温度则体积迅速收缩。此后，关于温敏水凝胶的报道日渐增多，但主要集中在聚N异丙基丙烯酰胺类水凝胶。一 在N P A中加入其他单体，如[ IA m甲基丙烯酸丁酯 (M )形成共聚物，可以调整其最低临界溶解温度， BA] 进而改善材料的一些性能。如在N P A中加入疏水 I Am

温度下，凝胶产生不连续性膨胀；撤去紫外光，凝胶收缩。含有光敏发色团的P IA水凝胶具有可见光敏 NAm感性。在光照下，发色团吸光而使局部温度上升，从而引起热敏性水凝胶P I A体积收缩的相转变，温度 N Am的升高与光的强度和发色团的浓度有关。

3、国内外水凝胶发展概况3 1国外水凝胶研究状况 .凝胶剂在国外起步早，发展快。《国药典》 英 l 9年已收载了水杨酸胆碱牙用凝胶、利多卡因凝 93胶、利多卡因洗必泰复方凝

胶等五种外用凝胶。《美国药典》X I版 (9 5收载有苯唑因凝胶、氢氧化 XI I 19年)铝凝胶等3余种，水凝胶剂是近年来在国际医药界备 0受关注，发展较快的一种药物剂型。 3 2国内水凝胶研究状况 .我国正处在水凝胶剂发展、提高阶段。早先主要作为医院制剂，近几年各种水凝胶剂都已上市，由于其使用方便、细腻而无油腻感而被广大患者接受。中药水凝胶剂尚处于起步阶段，中药单体水凝胶制剂的开发发展迅速，但中药复方水凝胶制剂发展缓慢， 其主要原因是由于中药制备工艺粗放，成分复杂，往往多种成分共同发挥治疗作用，通常不提取单一纯品，且用药剂量一般较大，故一时难以借用某些先进

性的B A以增加凝胶的机械强度，用这种水凝胶使 M可吲哚美辛在低温时释药，高温时停止释药。通过调整甲基丙烯酸烷基酯的长度，可以调整表面的收缩。而且，研究表明高分子基质中的药物在关闭状态时，即使没有药物释放，也从内部扩散到表面，重新形成较高的药物浓度梯度。张先正等使用A m IA m A与N P A共聚合成了具有快速温度敏感的水凝胶亲水单体A m A的加入提高了整个凝胶网络的亲水/疏水比，其与水分子形成的氢键数目增加，需要较多能量才能破坏这些氢键，故可通过改变A m A含量来提高水凝胶的较低临界溶解温度 L S。 C T许多研究表明，有些水凝胶的溶胀比随温度的升

高而增加，反之则降低，表现为热胀性。这种特性对于水凝胶的应用，尤其在药物的控制释放领域的应用有重要意义。王昌华等报道的经共价交联的聚丙

烯酰胺存放一段时间，在4% 2丙酮一水混合溶剂中，随的新剂型。温度升高，在2℃附近溶胀比发生突变，并增至约1 5 O倍。但是温度敏感性水凝胶N P A及其衍生物的临床 IA m 4、结束语

6环球聚氨酯网 2

水凝胶的应用与研究进展

水凝胶是一种迅速发展的新型功能高分子材料。 对其环境敏感性行为的研究、发展和应用具有不可估量的前途。尤其是智能型高分子水凝胶这种对外界环境变化能自动感知并能作出响应变化的特点，使其具

制了其实际应用，因此围绕凝胶材料性能的改善还有大量工作要做。此外，目前有关智能型高分子凝胶的

理论还很不完善，凝胶溶

胀的理论模型的研究尚处于发展阶段，如能在理论方面取得突破，将对这一领域有~系列传统材料所没有的突出性能，这类材料在分的发展带来重大指导意义。总之，高分子水凝胶材料子器件、调光材料、生物医学等高新技术领域将会获的合成与应用研究还有许多技术难题尚待解决，相信得广泛应用，尤其是在药物控制释放领域。然而，大随着对其研究的进一步深入，技术难题会很快得到突多数凝胶材料响应时问太长，力学性能有待改善等限破。雹

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