辐射改性水凝胶的应用

姜灿++王升++陈思++杜纪富

摘 要：辐射改性水凝胶广泛应用于工业、农业、医疗等领域，其原材料纤维素和壳聚糖是最丰富的天然有机物。改性后的水凝胶亲水而不溶于水，具有三维网状结构，有独特的吸水性和良好的生物相容性。

关键词：辐射交联；水凝胶；辐照剂量；药物缓释

一、辐照改性的基本原理

辐照改性[1]技术是通过电子加速器或放射源产生的射线辐照物质产生自由基，自由基在不同的链之间结合，形成高分子网状结构，或辐照接枝相应基团改变壳聚糖的分子结构及物理性能，从而改变水凝胶的交联度、溶胀度和断裂伸长率以及良好机械强等。比如，对高分子材料分别实现接枝、聚合、裂变或交联。

辐射技术可用来聚合不饱和化合物，这意味着带有乙烯基的水溶性高分子可以利用高能辐射转换为水溶胶。水凝胶也可通过单官能的交联剂经由辐射诱导交联聚合而得，而且辐射还能交联不含有乙烯基的水溶性高分子。这是因为在辐射通过水溶性高分子的溶液时，诱使高分子链上的C-H键均裂形成自由基。另外，水在高能辐射下产生的羟基自由基会进攻大分子链产生大分子自由基。大分子自由基在不同的链间结合最终导致链间形成共价键交联的网络。由于大分子自由基能易被氧化，所以高能辐射交联一般在惰性气体（如氮气，氩气）环境下反应。

二、辐射交联与化学交联的比较

聚合物的交联改性是开发新材料、新工艺获取新功能的重要途径，通常高分子聚合物的交联改性，除辐射交联方法外，还可以借助于交联剂引发聚合物接枝或交联反应，但与辐射交联比较，辐射法取代化学法对加工改性、产品质量的保证更为有利。其原因是：（1）化学交联需要添加交联剂，杂质对产品产生污染，辐照交联产品纯净，且有辐照灭菌效果；（2）辐照交联常温即可发生，不需要加热，辐照剂量决定交联度，交联主要发生在非晶区，具有良好的稳定性；（3）辐照交联加工与生产加工可分开进行，不影响效果。

三、辐照实验过程中存在的问题

（1）气泡问题——实验制备过程中，通过真空抽滤等方法去掉气泡。但经过辐照后，凝胶样品表面又产生许多气泡，这些气泡大大降低了凝胶的抗张程度、弹性。（2）交联与降解问

题——辐照过程中，交联与降解同时存在，达到一定辐照剂量时交联占主导地位。（3）辐照环境——辐照室内的氧气对交联的影响很大，一般应在充氮气的条件下进行辐照。

交联度很低的聚合物主要是线性分子，还没有形成一定的三维网络结构。要使交联度足够大，形成具有足够机械强度水凝胶，必须把剂量提高。如果加入少量的交联剂，则较小的辐照剂量即可达到同样机械强度的效果，但交联剂含量不宜过高，否则制成的水凝胶因太脆而不适用。

四、展望

水凝胶作为一种高吸水高保水材料，可用于干旱地区的抗旱，农用薄膜、建筑中的结露防止剂、调湿剂、石油化工中的堵水调剂，原油或成品油的脱水，在矿业中的抑尘剂，食品中的保鲜剂、增稠剂，尤其是医疗中作为药物载体、人工软骨修复材料等等。关节软骨损伤是导致关节疼痛的一种普遍的损伤形式，是临床骨科常见的疾病，长期以来人们一直在寻找和研制理想的软骨修复材料。聚乙烯醇（PVA）水凝胶除了具备一般水凝胶的性能外，特别具有毒性低、机械性能优良、含水量高和生物相容性好等优点，是一种非常有前途的人工软骨修复材料。

此外，智能型水凝胶是一类对外界刺激能产生敏感响应的水凝胶。根据外界刺激的响应情况可分为：温度响应性、PH响应性、光响应性、磁场响应性、压力响应性、生物分子响应性、电场响应性水凝胶等。这类材料广泛应用于分子器件，调光材料，生物医学等高新技术领域。

传统水凝胶机械性能很差，极大地限制了其在各个领域中的应用。因此近年来，人们在如何提高水凝胶机械强度等方面做了大量的工作。而化学交联水凝胶虽然能达到一定的溶胀度、机械强度，但因为其添加了交联剂等化学物质产生了杂质，甚至微毒性，而限制了其在医学等领域的应用。

采用辐射交联技术，可以制备具有适度交联度、溶胀度和断裂伸长率以及良好机械强度的水凝胶，可用于面膜、多功能新型敷料、外用药物给药系统等，为病患者减轻疼痛甚至挽回生命，创造巨大的社会效益和经济效益。辐照改性后的水凝胶具有新颖独特的理化性能，有望在环境保护、催化、分析、药物缓释等领域中发挥广泛的用途。

参考文献：

[1] 石凌飞，杨旭，朱晨瑜等.辐照改性对超高分子量聚乙烯防弹性能影响的研究[J].中国个体防护装备，2015，（2）：8-14.DOI：10.16102/j.cnki.cppe.2015.02.002.