高分子水凝胶
高分子凝胶
高分子凝胶的应用
常规做法是:将药物包埋在水凝胶或由其制成的微胶 囊中 ,包埋药物的释放速度可经由凝胶体积的调控 来实现。 随着科学的发展、技术的进步，人们对疾病的治疗 效果和手段的要求也越来越高。就药物控释系统来 说，提高药效、简化用药方式一直是人们努力的方 向。智能性高分子凝胶具有其刺激响应性能，可以 很好地满足定位释放、对疾病刺激产生响应性释放 及人为进行某种目的释放，这对药物控释系统的研 究和应用具有重要的推动作用，将成为控释系统的 主要研究方向。
高分子凝胶的定义
• 高分子凝胶的三维网 络结构示意图
• 高分子凝胶的交联网 络点，可以是化学 的、由共价键组成， 也可以是物理交联， 如结晶等。
高分子凝胶的分类
根据高分子网络里所含的溶剂分类： 水凝胶
高分子凝胶
有机凝胶பைடு நூலகம்
高分子凝胶的分类
水凝胶是最常见也是最为重要的一种。 绝大多数的生物、植物内存在的天然凝胶以 及许多合成高分子凝胶均属于水凝胶。而且 生物凝胶具有出色的智能性和高强度。智能 型水凝胶(intelligent Hydrogels or smart Hydrogels)是一类对外界刺激能产生敏感响 应的水凝胶。
高分子凝胶的应用
基于智能型水凝胶的可控溶胀收缩 , 人们制作了一种 温控化学阀 , 将丙烯酰脯氨酸甲酯 与双烯丙基碳酸 二甘醇酯 按 6∶4 摩尔比共聚 ,得到聚合物膜 ,然后 将此膜在NaOH 溶液中用离子束技术蚀刻得到多孔 膜。显微观察发现膜孔道在 0 ℃时完全关闭 ,30 ℃ 时完全开放。将丙烯酸与丙烯酸正硬酯酰醇酯共聚 得到了一种具有形状记忆功能的温敏水凝胶。这种 材料的形状记忆本质在于长链硬脂酰侧链的有序、 无序可逆变化。基于这种材料他们设计制作了另一 种温控化学阀。施加电场时 ,膜孔径增大 ,撤去电场 后 ,膜重新溶胀 ,由此可以控制膜的开、关或孔径大 小。
智能高分子及水凝胶的响应性及其应用
2、挑战
2、挑战
仿生智能高分子水凝胶材料仍面临以下挑战：首先，材料的物理化学性质需 要进一步优化，以提高其生物相容性和细胞黏附性；其次，材料的机械性能需要 进一步提高，以适应更为复杂和严苛的应用环境；最后，材料的降解性能需要进 一步调控，从而实现材料的可降解性和生物相容性的平衡。
3、未来发展方向
智能高分子及水凝胶的响应 性及其应用
01 引言
03 应用领域
目录
02 响应性分析 04 参考内容
引言
引言
智能高分子和水凝胶是一类能够对外界刺激产生响应的特殊材料。它们具备 优越的适应性、敏感性和智能性，因此被广泛应用于各个领域。本次演示将重点 探讨智能高分子和水凝胶的响应性及其在组织工程、药物传输、传感器和结构改 性等方面的应用，并对未来发展进行展望。
五、结论
五、结论
仿生智能高分子水凝胶材料的设计制备及其生物应用具有重要的意义。这种 材料具有良好的生物相容性、细胞黏附性和智能响应性，可以作为药物载体、细 胞培养基质和组织工程支架等。未来，随着科学技术的不断发展和进步，仿生智 能高分子水凝胶材料将有望在生物医学领域发挥更为重要的作用。
谢谢观看
4、结构改性
2、拓展刺激种类：目前，大多数智能高分子和水凝胶主要对一种刺激产生响 应。未来可以研究能够同时对多种刺激产生响应的材料，提高其应用范围。
4、结构改性
3、实现多级响应：未来的智能高分子和水凝胶可以实现在不同层次上的响应， 例如微观结构和宏观形状的双重响应。这将有助于进一步拓展其应用领域，例如 在软机器人制造和仿生工程中发挥作用。
三、仿生智能高分子水凝胶材料 的生物应用
1、细胞培养
1、细胞培养
仿生智能高分子水凝胶材料可以作为细胞培养基质，提供细胞生长所需的营 养和环境。这种材料可以模拟生物组织的结构和功能，有利于细胞的黏附、增殖 和分化。同时，通过调节材料的物理化学性质，可以控制细胞的生长和分化，从 而应用于药物筛选和疾病治疗研究。
高分子水凝胶综述
高分子水凝胶综述摘要在这篇综述中，笔者以高分子水凝胶为探究的领域，围绕其产生、发展、应用等诸方面，浅层次地加以论述。
论文大体的探讨方式是这样：首先以高分子水凝胶的出现为基点，考察其定义的由来以及与吸水树脂之间的关系；然后以高分子水凝胶潜在应用价值的属性为导向线，对其进行分类，讨论相应的制备方法和水凝胶性能各类表征方法；接着突出强调环境敏感性水凝胶的制备及响应原理；而水凝胶实际应用及缺陷则作为最后系统概括。
关键词：高分子水凝胶应用性能制备产生、定义与比较高分子水凝胶的合成可以追溯到20世纪50年代后期，Wichterle和Lim合成了第一个医用甲基丙烯酸羟乙酯（HEMA）水凝胶[1]。
对于高分子水凝胶的定义，各个文献报道的都很接近，即由带有化学或物理交联的亲水性高分子链形成的三维固体网络[2]，在水环境下高分子水凝胶能够发生吸水溶胀，甚至有的吸水能超过其自重好多倍（图1）图1凝胶吸水溶胀前与溶胀后的比较（左侧为吸水溶胀后，右侧为吸水溶胀前）同时，笔者发现，高分子水凝胶与吸水树脂之间的关联需要被加以认知。
吸水树脂本身就是一种新型功能高分子材料，具有亲水基团，能吸收大量水分而又能保持水分不外流。
当水分子通过扩散作用及毛细作用进入到树脂中时，形成的树脂即称为高分子水凝胶。
也就是说，吸水树脂是高分子水凝胶的前身，且当树脂经吸水后才成为水凝胶。
此外，对于高分子水凝胶的吸水并且保水的机理也需要加以阐述。
从化学结构上来分析，凝胶是分子中含有亲水性基团和疏水性基团的交联型高分子。
在凝胶的交联网格里，必然存在很多疏水性基团朝外，亲水性基团朝里的结构，在这样的结构下，亲水性基团与水分子以氢键等方式进行结合，疏水性基团在外头形成的屏障可以有效地间隔不同的内亲水网格，起到容纳水分子容器的作用（图2）。
OOH R O H R OO H R O OH RO OH R O OHR OOH R OHH图2 凝胶保持水分子示意图图2中，右下侧的疏水性基团是朝内的，这表明凝胶亲水性网格结构内部也是含有非亲水性基团的；而水分子与亲水链上的氧之间形成了氢键。
高分子水凝胶
高分子水凝胶凝胶是指溶胀的三维网状结构高分子。
即聚合物分子间相互连结，形成空间网状结构，而在网状结构的孔隙中又填充了液体介质。
药用的凝胶大部分是水凝胶（hydrogel），它们通过制剂的形式进入体内后吸收体液自发形成。
水凝胶是指一种在水中能显著溶胀、保持大量水分的亲水性凝胶，为三维网络结构，多数水凝胶网络中可容纳高分子本身重量的数倍至数百倍的水，它不同于疏水性的高分子网络如聚乳酸和聚乙醇酸（只有有限的吸水能力，吸水量不到10%）。
水凝胶中的水有两种存在状态。
靠近网络的水与网络有很强的作用力，这种水在极低温度下又有冻结的和不冻结之分，而离网络比较远的水与普通水性质相似称为自由水。
影响水凝胶形成的主要因素有浓度、温度和电解质。
每种高分子溶液都有一个形成凝胶的最小浓度，小于这个浓度则不能形成凝胶，大于这个浓度可加速凝胶。
对温度来说，温度低，有利于凝胶，分子形状愈不对称，可胶凝的浓度越小，但也有些高分子材料加热后胶凝，低温变成溶液。
电解质对胶凝的影响有促进作用也有阻止作用，其中阴离子起主要作用。
水凝胶从来源分类，可分为天然水凝胶和合成水凝胶；从性质来分类，可分为电中性水凝胶和离子型水凝胶，离子型水凝胶又可分为阴离子型、阳离子型和两性电解质型水凝胶。
根据水凝胶对外界刺激应答情况不同，水凝胶又可分为两类：①传统的水凝胶，这类水凝胶对环境的变化，如PH或温度变化不敏感；②环境敏感水凝胶，这类水凝胶对温度或PH 等环境因素的变化所给予的刺激有非常明确和显著的应答。
不同结构、不同化合物的水凝胶具有不同的物理化学性质如溶胀性、触变性、环境敏感性和黏附性等：（一）溶胀性：水凝胶在水中可显著溶胀。
溶胀性是指凝胶吸收液体后自身体积明显增大的现象，这是弹性凝胶的重要特性，凝胶的溶胀可分为两个阶段：第一阶段是溶剂分子钻入凝胶中与大分子相互作用形成溶剂化层，此过程很快，伴有放热效应和体积收缩现象（指凝胶体积的增加比吸收的液体体积小）；第二阶段是液体分子的继续渗透，这时凝胶体积大大增加。
水凝胶在药用高分子材料中的应用
三 粘附性
在现代新型的药物制剂中为了通过粘附作用达到长效、缓释 和靶向给药的而目的额，往往使用聚合水凝胶，以达到在生 物体上粘附的母的。
1 生物粘附 指的是在两个生物体表面之间形成任何结合，或一个生物的
表面与另一外一个外来天然或材料便面黏结的总称在药剂学 中生物黏附一般是用来描述聚合物（包括合成的以及天然的 ）与软组织（如胃肠道的膜、口腔、皮肤）之间的黏附作用 。
1、包衣：药物用小丸或片剂用的阻滞材料包衣 2、制成微囊：使用微囊技术制备缓控释制剂是较新的方法 3、制成不溶性骨架片：以水不溶性材料为骨架制备的片剂 4、增加粘度以减少扩散速度：主要用于注射液或其它液体制剂 5、制成植入剂 6、制成乳剂
三溶蚀与扩散、溶出结合：生物溶蚀性骨 架系统、亲水凝胶骨架系统、膨胀型控释 骨架
将制剂用于黏膜时，黏附现象存在以下几种情况： 干的或部分水化的药物制剂与大量的黏液层得表面 接触（颗粒剂用于鼻腔）；已经充分水化的药物制 剂与大量的黏液层得表面接触（水性混悬制剂用于 肠道）;干的或部分水化的药物制剂与薄的或不连续 的表面接触（某些局部用片剂或贴片用于口腔或阴 道）；已经充分水化地剂型与薄的或不连续性的黏 膜层表面接触（水性半固体或液体微粒制剂用于口 腔或阴道。
水凝胶是以水为分散介质的凝胶。具有交 联结构的水溶性高分子中引入一部分疏水 基团而形成能遇水一定的化学交联或物理 交联，都可以形成膨胀的交联聚合物。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。凡是水溶 性或亲水性的高分子，通过水凝胶。
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聚乙烯醇、 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）。 作为一种高吸水高保 水材料，水凝胶被广泛用于多种领域，如：干旱地区的 抗旱，在化妆品中的面膜、退热贴、镇痛贴、 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，医疗中的药物载体等等。值得注意 的是，不同的应用领域应该选用不同的高分子原料，以 满足不同的需求。
丙烯酸水凝胶制备
丙烯酸水凝胶制备
丙烯酸水凝胶是一种重要的高分子水凝胶材料，可用于涂层、大理石、磨料、过滤、胶黏剂等领域。
制备丙烯酸水凝胶的基本步骤如下：
1. 材料准备：将溶剂、起始剂、稳定剂和丙烯酸等材料准备好。
2. 溶剂预处理：按一定比例加入甲苯和去离子水，混合均匀，过滤除杂质。
3. 加入起始剂：再将过滤好的溶剂倒入反应釜中，加入过硫酸铵等起始剂，开始加热。
4. 加入丙烯酸：当溶剂的温度达到一定程度时，将丙烯酸缓慢加入，同时反应釜内维持一定的温度和搅拌速度。
5. 加入稳定剂：反应进行到一定程度时，加入一定量的稳定剂，继续加热和搅拌。
6. 除氧：在反应结束前，用氮气去除反应釜中的氧气。
7. 喷淋成型：反应完后，将制得的丙烯酸水凝胶从反应釜中取出，并进行喷淋成型。
以上为丙烯酸水凝胶的基本制备过程，制备时需注意一些注意事项，例如反应温度、反应时间等因素，以保证制得的水凝胶质量和性能达到要求。
高分子水凝胶综述
高分子水凝胶综述摘要在这篇综述中，笔者以高分子水凝胶为探究的领域，围绕其产生、发展、应用等诸方面，浅层次地加以论述。
论文大体的探讨方式是这样：首先以高分子水凝胶的出现为基点，考察其定义的由来以及与吸水树脂之间的关系；然后以高分子水凝胶潜在应用价值的属性为导向线，对其进行分类，讨论相应的制备方法和水凝胶性能各类表征方法；接着突出强调环境敏感性水凝胶的制备及响应原理；而水凝胶实际应用及缺陷则作为最后系统概括。
关键词：高分子水凝胶应用性能制备产生、定义与比较高分子水凝胶的合成可以追溯到20世纪50年代后期，Wichterle和Lim合成了第一个医用甲基丙烯酸羟乙酯（HEMA）水凝胶[1]。
对于高分子水凝胶的定义，各个文献报道的都很接近，即由带有化学或物理交联的亲水性高分子链形成的三维固体网络[2]，在水环境下高分子水凝胶能够发生吸水溶胀，甚至有的吸水能超过其自重好多倍（图1）图1凝胶吸水溶胀前与溶胀后的比较（左侧为吸水溶胀后，右侧为吸水溶胀前）同时，笔者发现，高分子水凝胶与吸水树脂之间的关联需要被加以认知。
吸水树脂本身就是一种新型功能高分子材料，具有亲水基团，能吸收大量水分而又能保持水分不外流。
当水分子通过扩散作用及毛细作用进入到树脂中时，形成的树脂即称为高分子水凝胶。
也就是说，吸水树脂是高分子水凝胶的前身，且当树脂经吸水后才成为水凝胶。
此外，对于高分子水凝胶的吸水并且保水的机理也需要加以阐述。
从化学结构上来分析，凝胶是分子中含有亲水性基团和疏水性基团的交联型高分子。
在凝胶的交联网格里，必然存在很多疏水性基团朝外，亲水性基团朝里的结构，在这样的结构下，亲水性基团与水分子以氢键等方式进行结合，疏水性基团在外头形成的屏障可以有效地间隔不同的内亲水网格，起到容纳水分子容器的作用（图2）。
OOH R O H R OO H R O OH RO OH R O OHR OOH OHH图2 凝胶保持水分子示意图图2中，右下侧的疏水性基团是朝内的，这表明凝胶亲水性网格结构内部也是含有非亲水性基团的；而水分子与亲水链上的氧之间形成了氢键。
高分子水凝胶
Irreversible, permanent insoluble
化学交联水凝胶的设计与合成
Hoffman, A. S. Adv. Drug Deliv. Rev., 2002, 43, 3
5
化学交联水凝胶的设计与合成
•
17
许多天然源聚合物及合成聚合物均可形成水凝胶而 作为组织工程支架使用，如下表：
18
三类凝胶材料的性能比较：
• 天然水凝胶：生物相容性好（天然衍生的聚合物水凝胶
由于其组成与结构类似于天然细胞外基质，例如胶原是哺 乳动物组织细胞外基质的主要蛋白质，明胶则是其变性衍 生物，而透明质酸常存在于成年动物的各种组织中，海藻 酸盐和壳聚糖均是亲水性的线性多糖，结构类似于糖胺聚 糖，植入体内后异体反应小）。但因来源不同，结构与性 能存在批次间差异，因此有一定的局限性，
= 1.74 = 0.85 = 0.46 = 0.39 = 1.8
凝胶化点的确定
Convenient methods to determine gel point:
Tilted test tube
Falling ball
凝胶化点的确定 Mechanical properties at sol-gel transition:
•
•
合成水凝胶：生物相容性较差，但合成聚合物水凝胶的
结构与性能可控，重复性好。
天然与合成高分子杂化水凝胶：兼有天然材料和合
成材料的优点。
19
凝胶化理论模型
Flory-Stockmayer 模型
Gel Point:
1 pc a 1
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
Crosslinking
Irreversible, permanent insoluble
化学交联水凝胶的设计与合成
Hoffman, A. S. Adv. Drug Deliv. Rev., 2002, 43, 3
5
化学交联水凝胶的设计与合成
❖ 自由基共聚反应交联
• 合成水凝胶：生物相容性较差，但合成聚合物水凝胶的
结构与性能可控，重复性好。
• 天然与合成高分子杂化水凝胶：兼有天然材料和合
成材料的优点。
19
凝胶化理论模型
❖Flory-Stockmayer 模型
Gel Point:
1 pc a 1
凝胶化理论模型
❖ 逾渗模型
凝胶化以前
凝胶化点
凝胶化以后
逾渗模型与Flory-Stockmayer模型的临界指数对比
HO
O Om
O
O n
O
H m
O Om
O
O n
OO m
photopolymerization
O O
O Om
O
O n
O
O
m
Sawhney, A. S.; Pathak, C. P.; Hubbell, J. A. Macromolecules, 1993, 26, 581
10
凝胶的分类 （Physical crosslink）
Equilibrium modulus
Ge appears (Ge 0)
or G e
liquid
solid
G e
0
gel point
crosslink density
dynamic moduli at gel point
104
103
G', G"
102
G"
101
G'
PNIPA in water
102
/ rad s-1
1.99
6.31
10.00
101
15.85
19.95
31.63
100
Ca-MLGH #2
10-1
C = 4wt% Alg
0.04 0.05 0.06 0.07 0.08
f
水凝胶的溶胀行为与溶质运移
Flory-Rehner理论
Gtotal Gelastic Gmixing
6
聚合方法：
根据所用的单体和溶剂，可以考虑使用辐射、紫外 照射或化学引发聚合。
共聚交联中常用的化学引发剂有：①热不稳定的过 氧化物；②氧化还原体系，其中氧化剂如过硫酸铵 或过氧化氢，还原剂有亚铁盐、焦亚硫酸盐或四甲 基乙二胺。
相比较而言，用于合成包埋生物分子的水凝胶时采 用辐射聚合法更具优势。其主要原因是辐射聚合不 需外加化学引发剂、反应温度较低且不易使生物分 子失活。例如，有人采用电子束辐射不同浓度PEO 和PVA混合水溶液得到了性能优良的、可用作伤口 敷料的共混型水凝胶。
S
t
•
(t t' )n (t' )dt'
Zero-shear viscosity at gel point:
0
(t)
•
0
t
S 1 n
lim t1n
t
Equilibrium modulus at gel point:
Ge
lim G(t )
t
S
lim t n
t
0
0 n 1
from Kramers-Krönig relation:
❖ Hydrogen bonding between the two types of polymer at low temperatures
PAG
n
PAAc
ON H
NH2
O
HO O n
Sasase, H.; Aoki, T.;Katono, H.;Sanui, K.; Ogata, N.; Ohta, R.; Kondo, T.; Okano, T.;
34
Bae, Y. H.; Vernon, B.; Han, C. K.; Kim, S. W. J. Controlled Release, 1998, 53, 249
1.54Å；
特征比值Cn（无扰链与自 由连接链均方末端距的比
值）；交联点间平均分子 质量 M c；
聚合物体积膨胀系数v2,s； 重复单元分子量Mr 。
水凝胶简介
水凝胶的应用
❖ 生物医用材料 （药物载体、隐形眼镜、人工肌肉） ❖ 石油化工 （驱油剂、脱水剂） ❖ 农业 （保水剂、结露防止剂）
❖ 日用、化妆品 （卫生巾、纸尿裤、面膜等）
tan
107 106 105 104 103 102 101 100 10-1 10-2 10-3
10-1
海藻酸钠水溶液的动态粘弹性 5%
5%
6%
6%
7%
4 9%
101
7%
8%
3 8%
8%
9%
9%
2 7%
100
MLGH#2 = 5 = 10 = 20 = 30 = 40 = 50
1 6% a = 0 5%
more Ca2+ required
结晶与分子间氢键作用交联
❖ 有人研究发现，将聚乙烯醇(PVA)水溶液进行冻融 (freeze thawing) 处理可得到一种高强度高弹性的凝 胶，凝胶的性质取决于PVA的分子量、浓度、冻 结时间和温度以及冻结的循环次数，而凝胶的形 成则归因于PVA分子在低温下的结晶作用；这种 结晶作用可促使PVA形成其功能类似于物理凝胶 网络交联点的微晶。
G'() 2 G"(x) / x
2
0
2 x2 dx
at gel point : G"() tan tan(n )
G' ( )
2
Interpolation to determine gel point:
tan independent of ; evaluation of n
G',G" X 10a / Pa
凝胶化点的确定
Convenient methods to determine gel point:
Tilted test tube
Falling ball
凝胶化点的确定
Mechanical properties at sol-gel transition:
Zero-shear viscosity
Sakurai, Y. Makromol. Chem., Rapid Commun., 1992, 13, 577
14
Other IPNs
❖ From poly(acrylamide), PAAm, and PAAc which form hydrogen bonds at low temperature
比例式
Flory-Stockmayer模 型
Mw - ( p < pc )
= 1
Rchar - ( p < pc )
= 0.5
Mmax -1/ (p < pc)
= 0.5
Fg ( p > pc )
= 1
E ( p > pc )
=3
p pc pc
逾渗模型 （d=3）
= 1.74 = 0.85 = 0.46 = 0.39 = 1.8
Micro-crystallite
Hydrogen bonding
Ion cooperation
Coil-helix transition
Phase separation
Complex
Reversible, time-dependent
钙离子与海藻酸的交联模型
Ca2+ selectively chelated by G units
104
f =0.07
103 a =3
f =0.06
102 critical gel
f =0.05
101 a =2
f =0.04
100
a =1
10-1
a =0 solution
Ca-MLGH#2 C = 4wt%
Alg
10-2
10-1
100
101
102
/rad s-1
[Ca2 ] f [COO in alginate]
100 24 26 28 30 32 34 36 38 40
T / oC
Winter’s Criterion
Winter & Chambon
at gel point:
G’ G” n
G’ : storage modulus G” : loss modulus : angular frequency n: relaxation exponent
PAAc
n
OO
H H
HN O
PAAm
n
Katono, H.; Maruyama, A.; Sanui, K.; Ogata, N.; Okano, T.; Sakurai, Y. J. Controlled
Release, 1991, 16, 215
15
来源
天然高分子水凝胶
合成高分子水凝胶
• 天然水凝胶：琼脂糖、海藻酸盐、壳聚糖、胶原、血 纤蛋白、明胶和透明质酸等；
• 天然水凝胶：生物相容性好（天然衍生的聚合物水凝胶
由于其组成与结构类似于天然细胞外基质，例如胶原是哺 乳动物组织细胞外基质的主要蛋白质，明胶则是其变性衍 生物，而透明质酸常存在于成年动物的各种组织中，海藻 酸盐和壳聚糖均是亲水性的线性多糖，结构类似于糖胺聚 糖，植入体内后异体反应小）。但因来源不同，结构与性 能存在批次间差异，因此有一定的局限性，