水凝胶应用现状及研究进展

摘 要：水凝胶（Hydrogel）是以水为分散介质的凝胶。具有网状交联结构的水溶性高分子中引入一部分疏水基团和亲水残基，亲水残基与水分子结合，将水分子连接在网状内部，而疏水残基遇水膨胀的交联聚合物。是一种高分子网络体系，性质柔软，能保持一定的形状，能吸收大量的水。本文主要叙述了水凝胶的研究历史、形成原理、分类、制法，简要介绍了其应用现状，并对展望其研究进展。

关键词：水凝胶 高分子材料 研究 应用

一、研究历史

1、美国约翰·霍普金斯大学医学院报告称，他们开发出一种新型水凝胶生物材料，在软骨修复手术中将其注入骨骼小洞，能帮助刺激病人骨髓产生干细胞，长出新的软骨。在临床试验中，新生软骨覆盖率达到86%，术后疼痛也大大减轻。论文发表在2013年1月9日出版的《科学·转化医学》上。

2、埃里希还说，研究小组正在开发下一代移植材料，水凝胶和黏合剂就是其中之一，二者将被整合为一种材料。此外，她们还在研究关节润滑和减少发炎的技术。

3、加拿大最新的研究显示，水凝胶（Hydrogel）不僅有利于干细胞（Stem cell）移植，也可加速眼睛与神经损伤的修复。研究团队指出，像果冻般的水凝胶是干细胞移植的理想介质，可以帮助干细胞在体内存活，修复损伤组织。

4、中国科学院兰州化学物理所研究员周峰课题组利用分子工程，设计制备出一种具有双交联网络的超高强度水凝胶，大大提高了水凝胶的机械性能。相关研究已发表于《先进材料》。

5、据国外媒体报道，美国加州大学圣迭戈分校的纳米科学工程师日前研发出了一种凝胶，这种凝胶中含有能够吸附细菌毒素的纳米海绵。这种凝胶有望用于治疗抗药性金黄色葡萄球菌（methicillin-resistant Staphylococcus aureus，MRSA。这种细菌产生了对所有青霉素的抗药性，常常被称作“超级细菌”）导致的皮肤和伤口上的感染。在不使用抗生素的情况下，这种“纳米 海绵水凝胶”能够把被抗药性金黄色葡萄球菌感染的小鼠皮肤上的损伤减小到最小。这项研究日前发表在学术期刊《先进材料》（Advanced Materials）上。

二、形成原理

凡是水溶性或亲亲水性的高分子，通过一定的化学交联或物理交联，都可以形成水凝胶。这些高分子按其来源可分为天然和合成两大类。天然的亲水性高分子包括多糖类（淀粉、纤维素、海藻酸、透明质酸，壳聚糖等）和多肽类（胶原、聚L-赖氨酸、聚L-谷胺酸等）。合成的亲水高分子包括醇、 丙烯酸及其衍生物类（聚丙烯酸，聚甲基丙烯酸，聚丙烯酰胺，聚N-聚代丙烯酰胺等）。

三、制法

一种保水凝胶的制法，即先将氢氧化钠溶于水中，并加入丙烯酸进行预处理；再依次加入玉米淀粉、丙烯酰胺和碳酸钙，搅拌加温反应后，加入引发剂进行接枝聚合反应；然后将反应后的液体倒入模具中，恒温干燥即可。其产品组分（重量百分比）包括：玉米淀粉4.5-4.7，丙烯酸21.4-22.5，丙烯酰胺9-9.5，过硫酸铵3.2-4.5，碳酸钙4.5-4.7，氢氧化钠9.5-9.9，水余量。有工艺简单，产品无毒、可生物降解和应用广阔等优点。

四、应用现状

1、创伤敷科

水凝胶材料直接用于与人体组织接触，可以防止体外微生物的感染，有效的防止体损失并且能够传输氧分到伤口，一般说来能促进伤口的愈合。

2、形状记忆材料

形状记忆材料是指能够感知环境变化的刺激，并响应这种变化，对其状态参数进行调整的材料。形状记忆材料高分子具有可恢复形变量大、使用面广、价格便宜等特点。

3、生物酶的固定

酶的固定化是用固体材料将酶束缚或限制于一定区域内，仍能进行其特有的催化反应、并可回收及重复使用的一类技术。游离酶由于不稳定和易变性等缺点，使它们难以在工业中得到更为广泛的应用。此外分离和提纯酶以及它们的一次性使用也大大增加了其作为催化剂的成本。正是在这种背景下，固定化酶的概念和技术得以提升和发展，酶的固定化技术使上述缺点得以克服。

4、保水抗旱

保水抗旱水凝胶作为一种高效抗旱保水剂能在较短时间内吸收超越自身重量几百甚至上千倍的水，并且能缓慢的释放出来。可以反复使用，具有优良的保水抗旱性能，欧美国家早已开始大面积应用，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。农业保水抗旱水凝胶主要用途为：用作农用土壤保水剂，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。

五、研究进展

水凝胶所具有的优异性能已经并还在引起人们的广泛关注，导致其研究与开发、生产与销售得到长期发展。但是，随着水凝胶应用领域的拓展而对其性能提出了更高的要求，研制与开发性能更为优良的高分子水凝胶材料已成为目前的研究热点，其中环境敏感性高分子水凝胶材料、超强吸水性高分子水凝胶材料的吸液速率、耐盐性和凝胶强度的提高则得到人们的广泛关注。

1、ph敏感水凝胶：在细胞分离、固定化酶、控制释放药物及靶向释放等领域的应用研究日益活跃，并显示出较好的应用前景。其用于酶等生物活性分子的固定化时，可通过控制条件而实现均相反应和异相分离的有效统一，而当用于药物控制释放研究时则又可随相变用于不同场合，这将使其在生物活性分子及生物医用高分子研究中具有重要意义。

2、温度敏感性水凝胶：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领域有重要意义。

3、电场敏感性水凝胶：目前利用电场敏感性水凝胶控制药物释放的研究尚处于起步阶段。电场敏感性水凝胶的优点在于药物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。

4、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光敏感性水凝胶两种，其中可见光链家；安全、易于操纵。

参考文献：

[1] Guo J J， Liu X Y， Jiang N， Yetisen A K， Yuk H， Yang C X， Khademhosseini A， Zhao X H， Yun S H*， Highly Stretchable， Strain Sensing Hydrogel Optical Fibers， Adv Mater， 2016， DOI：10.1002/adma.201603160.

作者简介：杨家杰，（1997.7.16—），男，汉族，浙江绍兴人，本科，研究方向：高分子材料。