高分子材料水凝胶在化工与医药领域的应用*

王 爽，张昭炯，杨欣鹏，王 蒙，匡海学

（黑龙江中医药大学 教育部北药基础与应用研究重点实验室黑龙江省中药及天然药物药效物质基础研究重点实验室，黑龙江 哈尔滨 150000）

水凝胶是一种含有亲水基团，可在水中溶胀并保存大量水分而不溶解的交联聚合物，其主要由高分子聚合物通过化学键力或物理结合力相互作用，相互交联形成三维网状结构[1]。水凝胶根据其制备原料不同可分为合成高分子水凝胶和天然高分子水凝胶，常用于制备水凝胶的高分子材料主要有：壳聚糖、纤维素、黄原胶、蛋白质和琼脂等[2]。水凝胶兼具固体力学和流体力学的性能，加之自身结构具有柔性可塑性强，生物兼容性高等特性使其广泛应用于化工与医药领域。本文主要从水凝胶材料在化工与医药两大领域的应用进行详细阐述，为水凝胶材料在化工与医药领域的应用与发展提供参考。

1 在化工领域的应用

1.1 水凝胶在无机化工方面的应用

1.1.1 水凝胶在工业废水处理方面的应用 工业废水中含有大量有机污染物和重金属难以通过常规方法去除，而水凝胶材料的出现使这一问题得到转机。车春波等[3]采用表面接枝共聚法制备纳米纤维素/丙烯酸水凝胶并对其行进表征与机制探讨。结果显示，纳米纤维素/丙烯酸水凝胶热稳定性强、溶胀能力好，对亚甲基蓝的吸附符合Langmuir 等温吸附模型且吸附动力学符合准二级动力学。谭阳等[4]以角蛋白为原料制备温敏型双网络角蛋白/PNIPAM 水凝胶，并对其吸附性进行研究。研究发现，角蛋白/PNIPAM 水凝胶主要以化学吸附形式对重金属进行吸附,在吸附重金属Pb（II）过程中仅用30min 即可达到吸附平衡，最大吸附容量为415.73mg·g-1。Yue等[5]将废弃塑料制备成两性塑料水凝胶，在酸性和碱性条件下对阳离子和阴离子都具有良好的吸附性能，最大吸附容量为85.15mg·g-1。此外，该水凝胶还可将Cr（VI）还原成Cr（III），Cr（III）进一步通过配位作用和阳离子交换进行吸附，这将为工厂废水处理和重金属污染的治理指明了新方向。

1.1.2 水凝胶在土壤保护方面的应用 水凝胶具有高分子主链和亲水性官能团形成的三维网络结构，可作为土壤改良剂用来吸附土壤中的重金属从而减少重金属对土壤的损害。Shan 等[6]以纤维素、半纤维素和木质素为原料制备出了一种新型吸附水凝胶，并对其性能进行表征。结果表明，该水凝胶主要通过离子交换自发产生吸附作用去除土壤中的铜，并且这一过程符合吸附动力学方程。张肖静等[7]制备的壳聚糖-聚乙烯醇复合水凝胶对土壤中总砷的去除总量为3.480mg·g-1，对总砷的解析率为64.1%～77.0%，这表明壳聚糖-聚乙烯醇水凝胶可有效去除土壤中的砷，对土壤具有修复和保护作用。

1.1.3 水凝胶在海水淡化方面的应用 淡水资源的获取一直是研究热点，水凝胶因其具有独特的三维网状结构，可与其它材料结合发挥更显著的作用而备受关注。李心等[8]设计并制备了由太阳光吸收体和高分子材料组成的具有制造成本低、可回收、稳定性好的一种新型复合水凝胶，该复合水凝胶可以充分利用太阳光，提高海水淡化效率，从而达到淡化海水的作用。Zhang 等[9]采用溶胶-凝胶转变和热冰模板法合成了一种含有微通道结构供水层和纳米多孔吸光层的双层水凝胶净化装置。该装置显示出了优异的抗离子能力、耐高/低pH 值能力以及对重金属和有机染料的优异净化性能，这种水凝胶净化装置为海水淡化开辟了新的途经。

1.2 水凝胶在有机化工方面的应用

1.2.1 水凝胶在油田开采方面的应用 油田的开采过程中由于水的存在常导致采油率降低，为提高采油率，以水凝胶为油田封堵材料引起了广泛关注。王雷等[10]研制出一种两性水凝胶，该水凝胶由羧基化石墨烯GO 和两性离子基团进行修饰，在水凝胶体系中引入两性离子聚合物使其抗盐度和抗高温性质显著提高并展现出优异的封堵性能，封堵率达93.8%。刘国宝等[11]制备出一种具有耐高温、抗盐性、稳定性、封堵性能好的水凝胶体系，这种水凝胶的封堵率高达98.35%，突破压力高达5.860MPa，能够在稠油油藏调堵作业中发挥重要作用。

1.2.2 水凝胶在燃料电池方面的应用 现有的燃料电池需要质子交换膜及燃料储存供应系统，这限制了电池的性能，而高分子材料水凝胶的出现使这一情况得到改善。Kirubaharan 等[12]制备了一种自组装水凝胶，并对该水凝胶进行了分析。结果显示，该水凝胶可增加生物电极的化学活性和输出率，提高电池性能的同时也为生物电化学系统性能的优化提供了方向。邢楷等[13]采用循环冻融法制备聚乙烯醇水凝胶，利用水凝胶保水性和导电性，将水凝胶作为燃料电池固态电解质使燃料/电解液一体化，实现微型燃料电池便携化，从而改善燃料电池性能。

1.2.3 水凝胶在煤矿阻燃方面的应用 水凝胶因其具有独特的三维网状结构，具有高吸水性、高保水性的特点，在煤矿开采中起到阻燃的作用。张俊朋等[14]采用水溶液聚合法制备壳聚糖-丙烯酸-丙烯酰胺水凝胶，并对水凝胶进行了表征。研究发现，该水凝胶的低临界溶解温度为103℃，吸水倍率高达220，适合煤矿的防灭火。杨苗苗等[15]以化学交联法研制出可用于矿用煤自燃防治高吸水、高保水性的水凝胶。结果显示，该水凝胶的溶胀性能、保水性能和固水性能良好，并且该水凝胶在煤自燃过程中使CO 的产生量降低了28.09%～52.78%，抑制了煤的进一步氧化。史全林等[16]研制了环保型弹性水凝胶，解决了传统水凝胶脆性大、受压易碎的问题。结果显示，该水凝胶受压回弹后表现出优异的弹性变形能力，并且在切割5min 后即可实现切口的重新交联和修复自愈合，保障对煤长期覆盖的湿润性，有助于更高效控制并熄灭火源。

2 在医药领域的应用

2.1 水凝胶在药物缓释控释方面的应用

水凝胶材料不仅可以作为药物载体，而且能够通过化学键合、溶剂活化和环境响应释放等机制实现药物的缓释控释。在药物递送过程中既能保证药物持续释放，又可以保持较高浓度的药物在局部用药部位长时间停留。候冰娜等[17]以泊洛沙姆为基体制备了可注射的温敏性海藻酸钠/泊洛沙姆复合水凝胶，并对其进行体外药物释放性能表征。研究发现，海藻酸钠/泊洛沙姆复合水凝胶对抗癌药物吉西他滨具有缓释作用，药物释放时间可长达72h。王莉等[18]通过反相微悬浮聚合制备蛋白质/高分子复合水凝胶微球，并以苯扎氯铵为模拟药物考察复合水凝胶微球对苯扎氯铵的缓释行为，结果显示，加入单体为1.2mL 时，总计释放率可达75%。

2.2 水凝胶在创伤伤口敷料方面的应用

水凝胶材料因其结构特性可自动调节伤口湿润度，同时具有吸收伤口渗液的能力并且不易粘连的特点，具有发挥创伤伤口局部抗菌作用。岳璇等[19]通过化学改性将没食子酸接枝到白及多糖的糖链上制备没食子酸-白及多糖聚合物水凝胶，并以大鼠背部细菌伤口为模型，观察到水凝胶具有光热抗菌和显著的促伤口愈合的作用。Yang 等[20]以壳聚糖为主要材料制备出具有止血、消毒和促进伤口愈合作用的多功能水凝胶敷料，这将为临床上用于止血和抗感染愈合带来福音。

2.3 水凝胶在生物组织支架方面的应用

水凝胶材料与机体组织结构的相似性可作为一类重要的生物医学材料，其在生物医学尤其是组织工程方面得到广泛应用[21]。李云杰等[22]制备出能够满足软骨再生需求的水凝胶，研究表明，该种材料具有良好的孔隙率和适宜的成胶时间，对周围细胞生物相容性好，是软骨组织工程方面优异的支架材料。Cui 等[23]开发了一种可注射和降解的水凝胶作为软骨支架，研究结果显示，搭载聚乙烯磷酸乙酯-透明质酸水凝胶能粘附在大鼠软骨组织上，显著改善了大鼠的软骨再生，从而达到了更好的治疗效果。

2.4 水凝胶在外周神经修复方面的应用

水凝胶材料的硬度和黏弹性等力学性能与机体神经组织相近似，其溶胀后构建的致密三维空间结构可促进神经生长，是近年来应用于神经修复领域的热点医用材料[24]。蒋曦等[25]制备出负载阿魏酸钠的泊洛沙姆水凝胶，研究表明，该水凝胶可增强药物对损伤脊髓的修复作用，提高药物在受损脊髓处神经功能重建与神经再生的作用效果。Rao 等[26]制备出壳聚糖纳米纤维水凝胶，将其与模拟脑源性神经营养因子和血管内皮生长因子多肽进行接枝，进而将该材料作为神经导管填充物修复神经缺损，结果发现，该材料在损伤早期不仅能促进神经再生，还能促进血管渗透，是修复神经缺损的有效手段。

2.5 水凝胶在人体健康监测方面的应用

随着现代科技的快速发展，人们面临的压力不断增加，对身体的健康监测变得至关重要。黄天龙等[27]以硼砂为交联剂，制备了多功能导电复合水凝胶。该水凝胶具有优异的导电性能和高灵敏度的电阻变化，被用作应变传感器进一步监测人体健康。宋亚婷等[28]以羧甲基纤维素钠和丙烯酸为原料制备灵敏度和电自修复能力好的导电水凝胶。研究发现，该水凝胶的应变传感器通过电信号可监测人体细微或大幅度运动，展示出了在个人健康监测和人体运动检测中潜在的应用价值，为各种传感应用的导电水凝胶提供新方向。

3 结语

随着科学技术的日益发展和科研手段的不断提高，新型材料被不断创新并制造出来，其不仅具有传统材料固有的理化特性，更具有一些改良的特殊功能。新型材料的研制为基础科学研究提供更多选择和技术支持，合理有效的将其与实际应用相结合，将极大的加快研究进程并拓展研究空间[29]。高分子材料水凝胶具有独特的理化属性，其在化工领域，特别是工业废水处理、土壤保护、海水淡化、油田开采、燃料电池、煤矿阻燃方面发挥着不可或缺的作用。同时，高分子材料水凝胶具有良好的生物相容性，其在医药领域，尤其是在药物缓释控释、创伤伤口敷料、生物组织支架、外周神经修复和人体健康监测方面也具有很高的开发价值，是未来最具潜力的材料之一。然而，水凝胶其自身某些特性或制备过程中的影响因素尚存在一些难题有待解决，如：装载药物的理化结合状态研究、制备过程的空间塑形研究、高含水量增加与其它基底或电极材料之间的键合难度等。相信随着研究的不断深入，以上难点将被逐一突破，水凝胶这种新型材料的发展与应用前景将会得到极大的提升。