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水凝胶

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高吸水性聚合物水凝胶

水凝胶是由亲水性聚合物链构成的网络，有时以水相分散胶体的状态存在。亲水性聚合物链通过交联结合形成三维固体。由于内部交联的存在，水凝胶网络的结构完整性不会因高含水率而溶解[1]。水凝胶是具有高吸水性(含水率可达90%以上)的天然或合成聚合物网络。

“水凝胶”这一术语首次出现在文献中是在1894年[2]。2019年，一种品牌名为Plenity的水凝胶被美国食品药品监督管理局（FDA）批准上市，可以辅助减肥[3]。

1 应用编辑

图示为一种带有水凝胶垫的创可贴，用于治疗水泡和烧伤。位于中心的水凝胶呈透明状，粘性防水塑料膜同为透明色，背衬则为白色和蓝色。

常见用途:

  • 组织工程支架：水凝胶可以模拟细胞所需的三维微环境。当被用作支架时，水凝胶可以 负载人体细胞来修复组织[4]；
  • 水凝胶包被的培养皿已经被用于细胞培养[5]；
  • 环境敏感水凝胶（也称为“智能凝胶”)：这些水凝胶具有感知酸碱度、温度或代谢物浓度变化的能力，并能根据这些变化释放负载物质[6]；
  • 缓释药物递送系统；
  • 对坏死和纤维化组织的吸收、去渣和清创；
  • 对特定分子（如葡萄糖或抗原）有响应的水凝胶[7]可用作生物传感器，也可用于药物递送系统[8]；
  • 一次性尿布或卫生巾[9]；
  • 隐形眼镜：硅酮、聚丙烯酰胺、聚甲基丙烯酸酯等水凝胶；
  • 脑电图和心电图电极：使用由交联聚合物（聚环氧乙烷、聚腺苷酸和聚乙烯吡咯烷酮等）组成的水凝胶；
  • 水凝胶炸药；
  • 直肠给药与诊断；
  • 量子点封装；
  • 乳房植入假体；
  • 胶黏剂；
  • 干旱地区用于保持土壤水分；
  • 创伤愈合敷料：用于烧伤或其他难以愈合伤口。创伤愈合凝胶非常有助于创造或保持湿润的环境，利于伤口愈合；
  • 局部给药的药物载体：特别适用于离子药物，可通过离子电渗疗法输送；
  • 模拟动物粘膜组织的材料：用于测试药物输送系统的粘膜粘附性能[10][11]。

2 化学编辑

水凝胶的常见组成包括含大量亲水基团的聚乙烯醇、聚丙烯酸钠、丙烯酸酯类聚合物和共聚物。

由于含有大量水分，水凝胶还具有与天然组织非常相似的柔韧性。作为响应性的“智能材料”，水凝胶可以封装化学系统。当受到外部因素如酸碱度变化的刺激时，化学系统可以将特定化合物如葡萄糖释放到环境中。这一过程在大多数情况下是通过凝胶-溶胶转变实现的。机械化学聚合物大多也是水凝胶，一旦受到刺激，它们会改变体积，因此可用作驱动器或传感器。

  • 播放媒体

    图示为一种基于棒状水凝胶的微泵(尺寸：4×0.3×0.05 mm)，由外加电压驱动。该泵可以使用1.5 V电池并连续运行至少6个月[12]

  • 图示为一种基于短肽的水凝胶基质的场发射扫描电子显微镜图。该水凝胶能够保持自身重量一百倍的水，可用作创伤愈合敷料。这一水凝胶网络的纤维宽度约为几十纳米，可以模拟细胞外基质中常见的纤维微环境。

  • 图示为与上图相同的短肽水凝胶。通过用镊子夹持以展示其刚度和透明度。

3 研究编辑

组织工程学领域正在研究天然水凝胶材料，这些材料包括琼脂糖、甲基纤维素、透明质酸、类弹性蛋白多肽和其他天然聚合物。水凝胶还可以用于农业，因为其可以缓慢释放农药和磷肥等农用化学品，提高效能，减少流失，同时改善砂壤土等干燥土壤的保水能力[13]

参考文献

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    ^Warren, David S.; Sutherland, Sam P. H.; Kao, Jacqueline Y.; Weal, Geoffrey R.; Mackay, Sean M. (2017-04-20). "The Preparation and Simple Analysis of a Clay Nanoparticle Composite Hydrogel". Journal of Chemical Education (in 英语). 94 (11): 1772–1779. Bibcode:2017JChEd..94.1772W. doi:10.1021/acs.jchemed.6b00389. ISSN 0021-9584..

  • [2]

    ^"Der Hydrogel und das kristallinische Hydrat des Kupferoxydes". Zeitschrift für Chemie und Industrie der Kolloide. 1 (7): 213–214. 1907. doi:10.1007/BF01830147..

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  • [11]

    ^Cook, Michael T.; Khutoryanskiy, Vitaliy V. (2015). "Mucoadhesion and mucosa-mimetic materials—A mini-review". International Journal of Pharmaceutics. 495 (2): 991–8. doi:10.1016/j.ijpharm.2015.09.064. PMID 26440734..

  • [12]

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    ^Puoci, Francesco; et al. (2008). "Polymer in Agriculture: A Review" (PDF). American Journal of Agricultural and Biological Sciences. 3 (1): 299–314. doi:10.3844/ajabssp.2008.299.314..

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