水凝胶的制备研究进展

杨 猛

（抚顺哥俩好化学有限公司，辽宁 抚顺 113217）

水凝胶是一类含有亲水基团能在水中溶胀而不溶解的具有三维网络结构的高分子聚合物，是一种特殊的软湿性材料。眼睛、皮肤、组织器官等大部分生物活体组织均由水凝胶组成，日常生活中的豆腐、果冻、隐形眼镜，工业中钻井的泥浆也都是水凝胶。水凝胶具有很高的吸水能力，能够吸收自身几十倍至几千倍的水；同时具有很好的保水能力，即使在外界压力下水分也不流失，因而广泛的应用于生理卫生材料、园林保水材料、食品等领域，在外界环境发生变化时（如温度、pH值、电场、溶剂性质、光强度、压力、离子强度等）凝胶性质随之发生相应变化的智能水凝胶由于其独特的响应性在药物控制释放、组织工程、活性酶的固定、生物传感器、生物反应器、人工智能材料等方面具有广阔的应用前景。而水凝胶的制备方法是决定水凝胶性质及应用的关键因素。

1 化学交联制备水凝胶

化学交联制备水凝胶是通过共价键形成的三维交联网络，可以由自由基共聚合、辐射聚合、水溶性高分子的交联、聚合物互传网络等方法实现。

1.1 自由基聚合

自由基聚合交联是在交联剂存在下，单体经自由基均聚或共聚制备高分子水凝胶，是制备化学水凝胶最为普遍采用的一种方法。这种方法通常情况下单体为含有一个可发生聚合反应双键的水溶性小分子（如丙烯酸系列、丙烯酰胺系列、乙烯吡咯烷酮等），而交联剂通常为含有至少两个可进行聚合双键的分子（如N,N-亚甲基双丙烯酰胺、双丙烯酸乙二醇酯等）。X.J.Zhou等人[1]将丙烯酸、丙烯酰胺共聚制得pH-温度双重敏感的水凝胶。此外，经双键修饰的一些功能性大分子或天然大分子也可经自由基聚合制备水凝胶[2]。Y.Q.Yu等人[3]将聚琥珀酰亚胺经双键修饰后与丙烯酸、N-异丙基丙烯酰胺共聚制得可降解的水凝胶。

水溶液聚合和反相悬浮/乳液聚合是自由基聚合制备水凝胶的两种最重要的实施方法。通常化学交联共聚所制备的样品中会包含以下几种情况：在同一条聚合物链上形成小环结构；交联剂未完全聚合使得聚合物链侧基带有不饱和的官能团；不同聚合物链间形成完善的聚合物网络。其中前两种情况对于交联聚合物网络没有贡献，属于无效交联。

1.2 辐射聚合

辐射聚合是单体或单体溶液在高能射线照射下，产生的初级活性自由基引发的聚合反应。在光辐射下不含有双键的水溶性聚合物也能交联形成水凝胶：在辐射聚合物水溶液的过程中，通过C-H键的均裂，在聚合物链上可以形成自由基，不同聚合物链上的自由基相遇形成共价交联网络。常用的辐射源有60Co、137Ce、紫外照射和电子加速器等。辐射技术与化学引发剂引发的单体交联聚合相比有反应条件温和、不需引发剂产物纯净、工艺简单等优点。N.Liu等人[4]采用60Co射线引发含有双键的N,N-二甲基氨乙基甲基丙烯酰胺、N-亚甲基双丙烯酰胺聚合制备了水凝胶。R.A.Wach等人[5]以Co射线引发不含双键的羟丙基纤维素制备了水凝胶。

1.3 水溶性高分子的交联

水溶性高分子与小分子或是两种水溶性高分子之间通过基团的反应形成网络制备水凝胶。这种方法的优点是由多种方法进行起始分子链的制备，因而在单体和合成技术上有更多的选择性，化学结构的设计与调节空间得以拓宽；合成的线型大分子可溶可熔，有利于应用多种手段进行结构表征与物理化学性能评价，而它又是制备水凝胶的直接原料，所以可直接将线型高分子的性能评价结果用于预测和分析交联后水凝胶的性能；高分子的交联反应可人为停留在任何阶段，便于跟踪研究整个凝胶化过程的结构演化；交联过程为逐步反应过程，交联反应参数可控、可测，统计理论处理相对简化，有较充分的前期工作可供借鉴，为统计理论的发展提供了对象和契机，而统计理论研究又反过来为支化与网络结构的评价与调节建立理论基础，使水凝胶性能与结构关系研究更为量化、更为精致。赵大成等人[6]研究了戊二醛交联PVA制备水凝胶，研究了PVA浓度对内环化的影响；X.Jin和L.Li等人[7,8]通过热酯化交联制得了聚乙烯醇-聚丙烯酸水凝胶纳米纤维、β-环糊精与聚丙烯酸纳米纤维凝胶膜。

1.4 互穿聚合物网络

互穿聚合物网络（IPN）是由两种聚合物通过网络互穿缠结而形成的一类独特的聚合物共混物。互穿网络水凝胶有两种类型：一种称为半互穿网络（semi-IPN）水凝胶，其内部一种组分是交联的聚合物网络，另一组分以线型聚合物链存在，每条线型聚合物链穿插在第一组分的聚合物网络中。另一种类型是两个组分形成各自的聚合物网络互相穿插在一起称为全互穿网络（IPN）水凝胶。互穿聚合物网络技术特有的优点在于：互传网络特有的强迫互容作用能使两种性能差异很大或具有不同功能的聚合物稳定的结合到一起，从而实现不同组分之间的性能互补；同时IPN特殊的界面互穿、双相连续等结构形态特征使得它们在性能和功能上产生特殊的协同作用。

近年来利用互穿网络技术制备智能水凝胶的报道很多，尤其在多重敏感性水凝胶的制备上尤为突出。丙烯酸-丙烯酰胺共聚物水凝胶在高温溶胀后由于氨基与羧基彼此远离，降低温度后不能形成有效的氢键作用因而凝胶不再收缩。而H.Katono等人[9]、H.Sasase等人[10]采用互穿网络方法制得了温度敏感的聚丙烯酸/聚丙烯酰胺互穿网络水凝胶，在较低温度时两种基团之间形成氢键，水凝胶处于收缩状态，基团之间的氢键作用随着温度的升高而被破坏，凝胶溶胀度增大；降低温度时凝胶再次收缩呈现出可逆溶胀-消溶胀变化。J.Chen[11]、B.L.Guo[12]等人制备了聚N异丙基丙烯酰胺/羧甲基壳聚糖pH值、温度敏感的互穿网络水凝胶。

2 物理交联制备水凝胶

未反应的交联剂的去除是化学交联存在的一个很大的问题，交联剂不仅会影响物质的完整性，而且经常是有毒的物质，未反应的化学交联剂必须在凝胶应用以前去除。而物理交联制备水凝胶则可以避免这个问题，不使用交联剂的物理水凝胶近年来备受关注。物理交联是通过聚合物间的链缠绕、范德华力、静电作用、氢键作用及疏水缔合作用等非共价键形成的交联网络。

2.1 离子间相互作用

通过离子间相互作用制备水凝胶可以分为两类：（1）聚电解质与带相反电荷的多价离子之间的静电作用形成物理水凝胶；（2）带相反电荷的两种聚电解质之间的静电作用形成聚电解质复合物水凝胶[13]。

藻酸盐是一个典型的可以与离子相互作用交联形成水凝胶的多聚糖。Q.Wang等人[14]制备了物理交联的pH敏感丙烯酸接枝壳聚糖/绿坡缕石/藻酸钠水凝胶珠粒。可以通过pH值来控制该凝胶载药的释放速率，将药物双氯芬酸钠（DS）装载于此凝胶中浸入到不同pH溶液中：在类似胃的环境（pH值为2.1）24h药物DS释放量还不足5%；在pH值为6.8时，2h药物DS释放量为20%，7h药物DS释放量50%，24h药物DS释放量100%；而在pH值为7.4时，药物DS在2h内即完全释放。

Y.B.Zhao等人[15]制备了N,N二甲基氨乙基甲基丙烯酸酯-丙烯酸-丙烯酰胺共聚物，由于羧基与叔胺基间的质子转换形成的正负离子间的静电引力作用，该共聚物以凝胶形式存在，并且该凝胶表现出对电场、电解质的响应行为。

2.2 结晶交联作用

高分子在溶液中呈无规线团分布，随着温度的升高或降低，分子运动加剧，无规线团结构遭到破坏而相互缠绕排列成有序结构形成微晶，这些微晶在网络中起到物理交联点从而形成凝胶。聚乙烯醇是典型的经反复冷冻-熔融后分子链有序排列形成微晶的分子，R.Ricciardi[16]反复冻融聚乙烯醇水溶液，C.M.Xiao反复冻融聚乙烯醇接枝的壳聚糖[17]、淀粉[18]均制得了物理交联的水凝胶。自然界中存在的琼脂糖、直链淀粉、支链淀粉、纤维素衍生物等多糖在水中高温时以无规线团形式存在呈现出溶液状态，而当温度降低时部分分子链排列成有序的螺旋结构形成微晶，体系呈现出凝胶状[19]。

2.3 氢键交联作用

高分子水溶液体系中分子内、分子间的氢键作用同样可以起到物理交联点的作用。K.Nam等人[20-22]制得甲基丙烯酰氧乙基磷酸胆碱与甲基丙烯酸、甲基丙烯酸丁酯两种共聚物，由于丁基的疏水诱导使羧基在其表面形成羧基-羧基、羧基-水间氢键形成物理交联点，这两种磷脂共聚物在水中可以自动的形成凝胶。

H.Vihola等人[23]将聚乙烯基己内酰胺/聚乙二醇接枝聚乙烯基己内酰胺浓溶液滴入到水杨酸溶液中制得温敏性的物理交联水凝胶，其中水杨酸与酰胺形成的氢键作起到交联点作用。将药物装载于凝胶中，药物的浓度、溶液pH值、外界环境的温度均影响着药物释放速率，因此，该凝胶适用于药物缓释应用。

2.4 疏水缔合作用

两亲性的接枝聚合物、嵌段共聚物能够通过聚合物中的疏水部分在水中的缔合作用形成凝胶。疏水改性的水性聚合物的疏水基团会形成分子内分子间的相互作用，在浓度比较高时分子间的缔合作用会占优，体系形成聚合物网络即水凝胶。十二烷基修饰的聚丙烯酸[24]、（2-丙烯酰胺-2-甲基丙烷磺酸钠）-（月桂醇聚氧乙烯醚甲基丙烯酸酯）共聚物[25]、丙烯酸钠-月桂醇聚氧乙烯醚甲基丙烯酸酯共聚物[26]在没有外界作用力破坏时以聚合物网络存在，在受到外界剪切力是以胶束形式存在，而当聚合物浓度较高时则为凝胶网络。

刘凤岐课题组通过此作用制备了聚丙烯酰胺、丙烯酸-丙烯酰胺共聚物疏水缔合水凝胶[24,27，28]，构筑了疏水缔合凝胶的网络结构示意图，研究了聚丙烯酰胺体系凝胶的强度、自愈合性能及丙烯酸-丙烯酰胺共聚物凝胶体系的温度敏感行为。

聚乙二醇、聚乳酸三嵌段共聚物PEG-PLA-PEG、PLA-PEG-PLA水溶液温度由室温升高到人体温时溶胶转化为凝胶，而进一步升温又转化为溶胶状态。PEG/PLA链段的长度、共聚物溶液的浓度均影响着溶胶向凝胶的转变温度[29]。

3 结语

综上所述，水凝胶的研究受到了国内外学者的广泛关注，可以通过多种方法来制备，但许多化学合成的水凝胶如聚丙烯酰胺凝胶、聚丙烯酸凝胶很难能生物降解而限制了其应用。天然高分子化合物由于其来源经济、有良好的生物相容性和生物降解性能、极小的毒性，将成为制备水凝胶的发展方向。

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