張曉春　劉嘉豪　梁飛

摘 要：水凝膠是一類兼具應(yīng)用價值和經(jīng)濟效益的新型功能高分子材料，由于其具有良好的生物相容性和親水性，在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。重點研究物理水凝膠和化學(xué)水凝膠的制備方法，為環(huán)境敏感水凝膠提供研究基礎(chǔ)。環(huán)境敏感型水凝膠因為這種特殊的性質(zhì)，被廣泛應(yīng)用在藥物控制釋放材料、傳感器、形狀記憶材料等，使得智能水凝膠在生物醫(yī)藥、仿生工程等領(lǐng)域擁有廣泛的前景。

關(guān)鍵詞：水凝膠；制備方法；環(huán)境敏感

水凝膠是指具有三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)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(jié)合，將水分子連接在網(wǎng)狀內(nèi)部，而疏水殘基遇水膨脹的交聯(lián)聚合物，水凝膠可以吸收自身重量的上千倍的水，且僅溶脹不溶解。由于水凝膠具有良好的生物相容性和親水性，形態(tài)柔軟類似生物體組織，目前在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，如藥物控釋、細胞的固定化載體、生物分子、組織工程和傳輸體系等，有著廣泛的應(yīng)用。根據(jù)水凝膠的網(wǎng)絡(luò)的交聯(lián)方式，可分為物理凝膠和化學(xué)凝膠。

1 水凝膠材料的制備

1.1 物理凝膠的制備

物理凝膠通過物理作用如氫鍵、靜電作用、鏈的纏繞等分別或者共同形成的。制備物理凝膠通常采用下列幾種方法：

①締合交聯(lián)。兩親性高分子聚合物是指具有不同極性鏈段的高分子，具有表面活性，可以通過疏水相互作用等在水中自組裝形成水凝膠及膠束等有序結(jié)構(gòu)，接枝共聚物有丙烯酸接枝聚N-異丙基丙烯酰胺（PNIPAM）、改性淀粉接枝聚乙烯醇（PVA）等，多嵌段共聚物有左旋聚乳酸（PLLA）和PEO的三嵌段共聚物（PLLA-PEO-PLLA）、聚環(huán)氧丙烷（PPO）和PEO的共聚物（PEO-PPO-PEO）、聚乙二醇（PEG）和聚乳酸/輕基乙酸（PLGA）的共聚物（PEG-PLGA-PEG）、聚氨醋（PU）和PAA的共聚物等。

②離子交聯(lián)。向帶有中正電荷的高分子或者負電荷的高分子中加入交聯(lián)劑就可以得到由離子交聯(lián)而形成的水凝膠，離子橋的形成使高分子鏈連結(jié)成一個三維網(wǎng)絡(luò)，如海藻酸可在Ca+存在下交聯(lián)形成開放的三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)。

③氫鍵和疏水相互作用。纖維素、殼聚糖等可以通過氫鍵交聯(lián)作用而形成凝膠。例如，室溫下的纖維素可以溶解于尿素和NaOH的混合溶液中，纖維素分子與混合溶液分子之間形成的氫鍵使得纖維素穩(wěn)定分散在混合溶液中，當(dāng)溫度升高時，纖維素間與混合溶液分子之間形成的氫鍵開始衰弱，纖維素自身分子內(nèi)的氫鍵開始增強，纖維素內(nèi)部分子發(fā)生聚合而形成凝膠。

④結(jié)晶作用。非定型的高分子鏈通過結(jié)晶作用形成網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，作為物理交聯(lián)點的結(jié)晶區(qū)會使親水高分子溶脹而形成水凝膠。而具有手性結(jié)構(gòu)的聚合物如PDLA與其異構(gòu)PLLA混合后會發(fā)生立體絡(luò)合反應(yīng)，導(dǎo)致形成緊密的結(jié)晶，從而形成凝膠。如此形成的水凝膠有很高的熔點和比較低的臨界凝膠濃度，如PDLA-PEG-PDLA和PLLA-PEG-PLLA的混合體系凝膠。

1.2 化學(xué)凝膠的制備

化學(xué)凝膠由化學(xué)鍵交聯(lián)而形成的三維網(wǎng)絡(luò)聚合物，其性能比物理凝膠更穩(wěn)定。制備化學(xué)凝膠通常采用下列幾種方法：

①高能輻射交聯(lián)法。是指通過X射線、伽馬射線、電子束或紫外線等這些高能量的光源能引發(fā)高分子鏈之間的相互作用，通常用于不飽和的化合物的聚合，如聚乙二醇、聚丙烯酸等，并且是制備互穿網(wǎng)絡(luò)水凝膠的很重要的一種方式。

②自由基聚合法。制備化學(xué)凝膠最常用的一種方法。在交聯(lián)劑作用下，用低分子量的單體通過自由基聚合制備水凝膠，交聯(lián)劑的用量對最終水凝膠的性質(zhì)有非常大的影響，如聚丙烯酰胺（PNIPAM）交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)的制備。

③酶催化交聯(lián)法。與上述幾種方法相比，這種方法效率較高，并且有無需使用有毒交聯(lián)劑、高選擇性以及催化反應(yīng)條件溫和（一般在常壓、常溫下）等優(yōu)點。Song等利用微生物轉(zhuǎn)谷氨酞胺酶（MTGase）對大豆蛋白進行催化，制得了分子質(zhì)量更大的分子聚合體，形成了具有良好的緩釋性能和生物相容性的蛋白基水凝膠。

④高分子功能團間的反應(yīng)。通過縮醛反應(yīng)來制備交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)，常用交聯(lián)劑為帶有醛基（-COH）的分子，如戊二醛、乙二醛等，還有高分子的二醛（如雙醛淀粉和右旋糖普二醛）。不過小分子的二醛都有較大的毒性，這也是此化學(xué)交聯(lián)法的一個弊端。另外，縮和反應(yīng)和加成反應(yīng)也是讓高分子鏈交聯(lián)的一種有效方法。

2 結(jié)語

環(huán)境敏感水凝膠能對外界物理或化學(xué)因素，如溫度、pH、光、電、磁、聲、力、化 物質(zhì)條件的刺激下，形狀和體積產(chǎn)生可逆性的變化。環(huán)境敏感型水凝膠因為這種特殊的性質(zhì)，被廣泛應(yīng)用在藥物控制釋放材料、傳感器、形狀記憶材料等，使得智能水凝膠在生物醫(yī)藥、仿生工程等領(lǐng)域擁有廣泛的前景。

參考文獻：

[1]葉菁蕓.物理交聯(lián)殼聚糖水凝膠的構(gòu)建及復(fù)合大分子液晶的研究[D].廣州：暨南大學(xué)，2012.

[2]丘雪瑩.新型殼聚糖水凝膠的制備及其凝膠機理的研究[D].上海：復(fù)旦大學(xué)，2010.

作者簡介：

張曉春（1995- ），男，籍貫：山西省大同市，藥學(xué)本科學(xué)生。

梁飛（1984- ），男，籍貫：陜西省寶雞市，研究方向：醫(yī)用高分子材料研究。

依托項目：陜西省科技廳計劃項目（項目編號：2017SF-174）；2017年地方高校國家級大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計劃項目（項目編號：201711840005）；陜西省大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計劃項目（項目編號：2326）；西安醫(yī)學(xué)院大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練項目（項目編號：2017DC-19）