智能水凝胶研究进展

王市伟（郑州大学力学与工程科学学院， 河南 郑州 450001）

智能水凝胶研究进展

王市伟（郑州大学力学与工程科学学院， 河南 郑州 450001）

本文从高分子水凝胶的分类以及典型代表为出发点对智能高分子水凝胶的研究现状进行了介绍，针对刺激敏感型智能高分子水凝胶的研究进展进行了阐述，探讨了智能高分子水凝胶的发展趋势。

水凝胶；高分子；智能；刺激敏感

1 智能高分子水凝胶

依据刺激来源的不同，高分子水凝胶又有pH、温度、电、光以及磁敏感型水凝胶等不同类型。近年来，随着研究的深入和应用的拓展，越来越多的研究倾向于复合刺激下的智能高分子水凝胶的结构与性能研究。如pH/温度双重敏感型水凝胶，温度/磁场双重敏感型水凝胶以及pH/盐浓度双重敏感型水凝胶。

（1）pH敏感型高分子水凝胶。这种水凝胶的三维网络结构中通常情况下含有可离子化的碱性或者酸性基团。随着介质pH值的改变，基团将发生电离，进而导致网络中的大分子链段间的氢键解离，产生不连续的溶胀体积变化。pH敏感型水凝胶根据响应的基团的不同分为阳离子、阴离子和两性离子三种类型。N A Mazied等人制备得到了N，N-二甲基氨乙基甲基丙烯酰胺-乙二醇二甲基丙烯酸酯共聚物水凝胶，该凝胶的溶胀度会随着环境pH值的增大而降低。高晓晔等人发现由聚（L-谷氨酸）（PGA）和聚丙烯酸（PAA）组成的pH敏感水凝胶在低pH值环境中的溶胀率明显低于高pH值环境。

（2）温度敏感型水凝胶。这种水凝胶是目前研究最多的一类智能水凝胶。根据对温度变化的响应的不同其又可以分为热收缩型水凝胶和热膨胀型水凝胶。前者在温度升高时水凝胶的高分子链段聚集而收缩，溶胀率降低。后者则在温度较高的情况下其高分子链段因水合作用而伸展，溶胀率降低。基于一些温度敏感性水凝胶的凝胶温度与人体体温接近，因而可以将这一特性应用于药物载体领域。冯巧等人采用制备了热缩温敏性能的聚（N-异丙基丙烯酰胺-乙烯基吡咯烷酮）（P（NIPAM-co-NVP））水凝胶。并应用于阿司匹林的药物释放，结果显示药物在室温附近（25℃）释放速率很快。Kim等利用光聚合法制备温敏性水凝胶薄膜，并应用于以重组人生长荷尔蒙为模型蛋白的药物释放研究中，发现在释放的前一周，13℃下的药物释放速率一周后几乎为0，而两周之后37℃下的药物累积释放量则达到90%。

（3）电刺激敏感型高分子水凝胶。电场敏感性水凝胶在电解质溶液中受到电场刺激时，会产生体积或者形状的变化。Hamlen等在1965年首次报道了聚电解质水凝胶在电场的作用下会产生相应的变形。管娟等人制备出了一种天然高分子两性荷电水凝胶，该水凝胶在电场作用下表现出良好的电场敏感特性。进一步的研究发现该水凝胶在pH＜6的电解质溶液中会弯向阳极，当电解质溶液的pH＞6时会弯向阴极，同时该水凝胶在酸性较强（pH=3～4）以及中性（pH=7）电解质溶液中都能表现出良好的电场敏感特性。然而，目前制备电场敏感水凝胶的原料以合成高分子为主，生物相容性以及生物降解性差等限制了其在生物医药方面的应用。同时对于如何进一步提高电场敏感水凝胶的响应速率和力学性能这一难题也亟需解决。

（4）光敏感型水凝胶。按照光的类型可分为特定光敏感型高分子水凝胶以及可见光敏感型高分子水凝胶两大类。相比于pH、温度等刺激敏感型水凝胶，光作为外界刺激，具有清洁和响应迅速的优点。目前对于光敏性水凝胶的研究主要集中在邻硝基苄基类（o-NB）水凝胶的合成上面。如Kloxin等合成了一种基于聚乙二醇（PEG）和o-NB基团的光降解型水凝胶，发现其降解速率随着光照强度的增加而增加。Peng等利用o-NB基团制备出了一种光降解型共价交联水凝胶，并应用于以绿荧光蛋白为模型蛋白质的药物释放的研究中，发现，该凝胶基载体在365nm的光照条件下降解。

（5）磁性敏感型水凝胶。这种水凝胶对磁场或者磁性作用有特殊响应。由于其非接触的作用机理，相比于其他水凝胶高分子材料具有易操控的特点，从而更适用于酶的固定与蛋白质的分离以及人工肌肉等领域的应用。Ramanujan等利用Fe3O4不同含量的复合凝胶其磁场阈值不同的特点，制备得到了PVA/Fe3O4磁性水凝胶，并且该凝胶可以模仿人手指弯曲。然而，目前国内对于磁性敏感型水凝胶的研究尚处于起步阶段，很少有对于如何提高其机械强度等方面的研究报道，力学性能等方面的缺陷在一定程度上也制约了其在应用领域的拓展速度。

（6）复合刺激敏感水凝胶。复合型智能水凝胶作为一种新型的智能高分子水凝胶材料因其具有广阔的应用前景正越来越受到研究者们的关注。通常情况下制备复合刺激敏感型水凝胶需要两种或两种以上的原料（单体或聚合物）。马天泽等人通过乳液聚合法制备得到了具有温度/pH双重响应的单分散聚（N-异丙基丙烯酰胺-CO-丙烯酸）纳米水凝胶。王益亨等人制备了同时具有温敏性和磁性能的聚（N-异丙基丙烯酰胺）基磁性纳米复合水凝胶，研究发现其温敏性受铁盐浓度的影响，并且磁性能受浸泡液铁盐浓度、粘土含量以及预聚液的单体浓度的影响。吕英海等人以海藻酸铵、聚乙烯醇和蒙脱石制备得到了具有pH值/盐浓度双重敏感性的水凝胶微球，发现该凝胶。

2 展望

作为一种迅速发展的新型功能型高分子材料，智能高分子水凝胶在学术研究和工业应用方面都具有广阔的发展前景。然而其力学性能，机械强度，响应速率，精确控制以及生物相容性等方面的因素制约了其应用。对其进一步开展深入研究，将对相关领域的技术进步具有重要意义。