水凝胶的制备及应用研究

水凝胶的制备及应用研究

顾雪梅;安燕;殷雅婷;张玉星

【摘 要】水凝胶是一种具有三维网络结构的新型功能高分子材料,以其含水量高、溶胀快、具有良好的生物相容性、对外界刺激具有良好的响应性等被广泛应用于很多领域,具有广阔的应用和发展前景。本文重点介绍了近年来水凝胶的制备方法,同时综合介绍了水凝胶在医药、工农业等领域的应用,并对其未来的发展进行了展望。%Hydrogel was a kind of three-dimensional network structure with

new functional polymer materials,with good biocompatibility and good

responsibility for foreign stimulates,was widely used in

industry,agriculture,medicine,etc.The preparation and applications of the

hydrogel in industrial and pharmaceutical industry were reviewed,and the

future development was prospected.

【期刊名称】《广州化工》

【年(卷),期】2012(040)010

【总页数】4页(P11-13,35)

【关键词】水凝胶;高分子聚合物;制备;应用

【作 者】顾雪梅;安燕;殷雅婷;张玉星

【作者单位】贵州大学化学与化工学院,贵州贵阳550003;贵州大学化学与化工学院,贵州贵阳550003;贵州大学化学与化工学院,贵州贵阳550003;贵州大学化学与化工学院,贵州贵阳550003 【正文语种】中 文

【中图分类】O648.17

Abstract:Hydrogel was a kind of three－dimensional network structure with

new functional polymer materials，with good biocompatibility and good

responsibility for foreign stimulates，was widely used in industry，agriculture，medicine，etc.The preparation and applications of the

hydrogel in industrial and pharmaceutical industry were reviewed，and the

future development was prospected.

Key words:hydrogel;polymer;preparation;application

水凝胶是一种能够在水中溶胀并保持一定水分而又不溶于水的具有三维网络结构的新型功能高分子材料，兼有固体和液体的性质［1］。图1即为它的网络示意图。水凝胶中的水尽管束缚于凝胶网络中，但仍有一定的活动性，这种结构类似于生物体的结构，因而具有良好的生物相容性，对外界刺激，如温度、pH、电场等具有良好的响应性，因此常被用作吸水与保水材料，还被广泛应用于工农业，医学等领域［2］。

成为水凝胶材料必须具备两个前提:高分子主链或侧链上带有大量的亲水基团和有适当的交联网络结构。制备水凝胶的起始原料可以是单体、聚合物或单体和聚合物的混合物。水凝胶的制备方法主要有单体聚合同时交联法、聚合物交联法和接枝共聚法。

1.1 单体聚合同时交联

水凝胶可以由一种或多种单体经化学引发剂引发、光化学引发、氧化还原引发或电离辐射聚合并交联而得，合成水凝胶的单体大致分为中性、酸性、碱性3种。中性单体如甲基丙烯酸羟烷基酯、丙烯酰胺衍生物、N－乙烯基吡喏烷酮、丙烯酸酯衍生物等。酸性单体有丙烯酸衍生物、巴豆酸等。碱性单体有甲基丙烯酸胺乙酯衍生物、乙烯基吡啶等。常用的化学引发剂有不稳定性的过氧化物和氧化还原体系。一般来说，在形成水凝胶过程中还需要加入少量的交联剂。常用的交联剂有二甲基丙烯酸乙二醇酯和N，N－亚甲基双丙烯酰胺。

林松柏等［3］以离子型单体2－丙烯酰胺－2－甲基丙磺酸(AMPS)及非离子型单体甲基丙烯酸丁酯为原料，偶氮二异丁腈为引发剂，N，N－亚甲基双丙烯酰胺为交联剂，N，N－二甲基甲酰胺为溶剂，通过自由基聚合合成了聚(2－丙烯酰胺－2－甲基丙磺酸－co－甲基丙烯酸丁酯)电场敏感性水凝胶。该水凝胶在去离子水中的平衡溶胀度(W湿凝胶－W干凝胶/W干凝胶)在236.4～298.5之间。俞洁等［4］以聚乙二醇(PEG)、丙烯酸(AA)、丙烯酰胺(AM)为原料，N，N－亚甲基双丙烯酰胺(MBA)为交联剂，在水溶液中一步制得了聚乙二醇/丙烯酸/丙烯酰胺(PEG/AA/AM)水凝胶。实验结果得出这种水凝胶具有pH敏感性;其对染料结晶紫具有脱色作用，有望将其用于染料废水的吸附脱色研究。田帅等［5］采用紫外光引发聚合制备了聚乙二醇(PEG)改性的聚(2－丙烯酰胺－2－甲基丙磺酸)/聚丙烯酰胺(PAMPS/PAM)双网络水凝胶。结果表明，经PEG改性后的双网络水凝胶有较高的溶胀比;改性后双网络水凝胶压缩形变率达到90%以上、拉伸形变率是未改性双网络水凝胶的2倍。刘郁杨等［6］通过氧化还原自由基引发MAH－β－CD与N－异丙基丙烯酰胺(NIPA)聚合，合成出含β－CD结构单元的新型水凝胶。用核磁共振、红外光谱及元素分析对MAH－β－CD单体及共聚物的结构和组成进行了表征。溶胀研究结果表明，该水凝胶具有较好的pH、温度及离子强度敏感性;并且水凝胶在较高羧基(－COOH)含量和弱碱环境中仍能表现出明显的温敏性。Nogaoka［7］在不使用交联剂的情况下通过辐射引发使单体在水溶液中交联合成聚N－异丙基丙烯酰胺水凝胶，这种方法操作简单，交联度可通过改变单体浓度及辐射条件来控制，无任何添加成分，不会污染产品，可以一步完成产品的制备及消毒。

1.2 聚合物交联

聚合物交联制备水凝胶有化学交联、物理交联和辐射交联法。

化学交联的水凝胶是指在化学交联剂的作用下，通过共价键将高聚物链结合而成的网状结构，加热不溶不熔，用这种方法制的的水凝胶又叫做永久性水凝胶。席征等［8］对化学交联聚乙二醇基水凝胶的研究进展进行了综述，介绍了该类水凝胶的制备方法，包括几种常见的前体制备方法和常用的交联方法，并讨论了影响水凝胶溶胀性能和力学性能的几种因素。吴国杰等［9］以戊二醛为交联剂，将聚乙烯醇与壳聚糖混和制备聚乙烯醇－壳聚糖水凝胶，制成后的凝胶力学性能和溶胀性能都得到明显改善，用于生物活性因子缓释及组织工程。林友文等［10］使用化学交联法开发出一种pH敏感性羟甲基壳聚糖承凝胶，在碱性介质中的溶胀度增大，而在酸性介质中的溶胀度减小。该水凝胶的研制对于口服结肠定位给药的开发具有重要的意义。

物理交联是通过物理作用力如静电作用、离子相互作用、氢键、链的缠绕等形成凝胶。形成的水凝胶又称为可逆水凝胶。与化学交联相比，其避免了使用交联剂，生产出来的胶体具有低毒(甚至无毒)、易生物降解的优点，特别适用于生物医学、药学等领域。殷争艳等［11］以聚氨酯PUA25和PUB25为原料，对其形成的物理交联水凝胶进行了研究，发现物理交联PUA25所制备的水凝胶，随着冷却－加热－冷却过程的重复而出现“凝胶－溶液－凝胶”的循环转变。制成的凝胶适用于药物缓释、敷料等。王文俊等［12］以醚－羟丙甲基纤维素(HPMC)，聚阴离子纤维素(PAC)和氯化铝为原料，通过物理方法制备了一系列热缩型温敏性PAC/HPMC水凝胶，通过对凝胶强度、溶胀动力学、耐盐性和温敏性进行研究得出PAC/HPMC水凝胶强度受到HPMC用量和相对分子质量影响。当HPMC水溶液黏度为4 Pa·S，加入量为0.10%时所制备的凝胶强度最大;与纯PAC凝胶相比，PAC/HPMC凝胶在去离子水中的平衡溶涨率有显著提高;在相同浓度NaCl溶液中的溶涨率高于纯PAC凝胶;HPMC的存在使PAC/HPMC凝胶具有了温敏性。

辐射交联是指通过电子束照射、γ－光子照射，使链状高分子聚合物交联形成水凝胶的过程。这种方法具有以下的优点;反应过程中不需要添加引发剂、交联剂等，产物纯度高;操作较方便，辐射反应一般在常温或低温下发生;反应过程中通过调节给予的辐射能量及强度，控制聚合物基材的形状和结构容易;能在预定的几何条件下对树辩表面进行处理，随时对产物进行辐射灭菌。用辐射交联法生产出来的水凝胶较适合运用于医学材料领域。刘鹏飞等［13］利用丙烯酰胺－羧甲基纤维素钠(AAm－CMC－Na)进行γ射线辐照制备出新型改性CMC水凝胶，研究了这种水凝胶的溶胀动力学、交联动力学以及温度、pH值和无机盐浓度对水凝胶溶胀行为的影响，结果显示该水凝胶和CMC－Na水凝胶相比，辐照交联所用的剂量下降，而且所需的CMC浓度减少，溶胀度随温度升高而增大，表现出较好的温度敏感性和pH敏感性，可望作为吸水材料和水保持剂。郁杨等［14］以聚甲基乙烯基醚(PVME)和羧甲基壳聚糖(CMCS)为原料，采用电子束辐照交联方法制备聚甲基乙烯基醚/羧甲基壳聚糖(PVME/ CMCS)水凝胶，该水凝胶具有一定的温度和pH敏感性，在医学领域可被用作药物释放载体等方面。

1.3 接枝共聚

水凝胶的机械强度一般较差，为了改善其机械强度，可以把水凝胶接枝到具有一定强度的载体上。在载体表面产生自由基是最为有效的制备接枝水凝胶的技术，单体可以共价地连接到载体上。在载体表面产生自由基的方法有电离辐射、紫外线照射、等离子体激化原子或化学催化游离基等。

Lokhande等［15］以Ce4+为引发剂，将丙烯腈接枝到纤维素上得到耐压好、保水能力强的高分子水凝胶材料。俞玫［16］以过硫酸钾为自由基引发剂，亚甲基双丙烯酰胺或甲醛为交联剂，通过接枝共聚反应制备了壳聚糖接枝聚丙烯酰胺水凝胶，该水凝胶具有离子强度、pH值和温度敏感性，可用作药物载体。王利群［17］通过自由基氧化还原反应，将聚(N－异丙基丙烯酰胺)接枝到葡聚糖大分子链上，制备得到对具有温敏特性的自主装药物控释载体系统。并对其开展了相关的药物体系的结肠定位功能和释药性能的研究。蔡红等［18］采用γ－辐射技术引发壳聚糖与N－异丙基丙烯酰胺进行接枝共聚，制备了温度及pH敏感水凝胶。结果显示用γ－射线引发壳聚糖接枝异丙基丙烯酰胺具有较高的接枝率和接枝效率，接枝的聚合物具有明显的温度及pH敏感的特点。汪连生等［19］通过在无催化剂存在下壳聚糖与乙交酯直接发生接枝共聚反应，制备了壳聚糖接枝聚乙醇酸共聚物。通过红外光谱对接枝共聚物进行了结构表征，证明壳聚糖(CS)与乙交酯(GA)能顺利地发生了接枝共聚反应，接枝主要发生在壳聚糖结构单元的2－位氨基上。共聚物在柠檬酸－磷酸氢二钠缓冲溶液中形成的水凝胶的溶胀行为显示该物理交联水凝胶属于pH敏感的水凝胶。

2.1 水凝胶在医学领域的应用

(1)药物缓释

水凝胶兼备储存药物、控制释放速度、驱动释放3种功能，既能调节制剂的强度和硬度，又能起到促进分解、赋形的作用，还能遮蔽医药品的苦味和气味。因此，水凝胶在口服、鼻腔、口腔、直肠、眼部、注射等给药途径具有较大的应用潜力［20］。Zhai等［21］将PVA侧链接枝NIPA制备了聚合物(PVA－g－NIPA)，然后与PVA混溶，通过冷冻－融熔方法得到PVA－g－NIPA/ PVA水凝胶。利用这种凝胶可有效控制释放亚甲蓝。Chiu［22］等用浸渍法将右旋糖酐裁水凝胶载以小牛血清蛋白，体外释药实验发现，药物释放速度主要由凝胶所含羧基数量及凝胶溶胀度决定，调节凝胶所含羧基数量及凝胶溶胀度即可达到药物控释的目的。俞麟［23］合成的PLGA－PEG－PLGA三嵌段共聚物水凝胶，初步的体外生物相容性实验表明所合成材料没有明显的细胞毒性，通过注射嵌段共聚物水溶液到大鼠皮