医用高分子水凝胶的设计与合成
水凝胶综述
水凝胶综述水凝胶是一种能够吸收水分并形成凝胶状态的材料。
它具有优异的物理、化学性质和生物相容性，因此在医疗、生物制造、水处理、环境保护等领域有着广泛的应用。
本文将对水凝胶的种类、制备方法及其应用进行综述。
一、水凝胶种类1.聚丙烯酸钠凝胶：聚丙烯酸钠（sodium polyacrylate，SPA）是一种高分子聚合物，具有吸水性强的特点。
它能够在形成凝胶状态后固定并保持高水分量，具有吸收多达500倍重量的水分能力。
因此，SPA凝胶在卫生巾、纸尿裤等日用品中广泛应用。
2.壳聚糖凝胶：壳聚糖是一种具有天然多糖的生物高分子材料。
它具有天然亲水性、生物可降解性和低毒性等特点。
壳聚糖凝胶在生物制造、医学等领域有着广泛的应用前景，如软骨组织工程中的载体材料、生物医用凝胶等。
3.聚乙烯醇凝胶：聚乙烯醇（PVA）是一种合成聚合物，它具有高度的水溶性和可塑性。
PVA凝胶可以通过交联反应形成，具有优异的力学性质和生物相容性，因此在组织工程、医用敷料等领域有着广泛的应用。
4.明胶凝胶：明胶是一种蛋白胶体物质，由动物皮、骨、软组织等经加热水解、提取等工艺处理而成。
明胶凝胶具有良好的生物相容性、生物降解性和生物吸附性等特点，因此在医学、生物制造等领域有着广泛的应用。
二、水凝胶制备方法1.离子交联法：离子交联法是水凝胶制备的常用方法之一。
具体的制备过程是将水凝胶原料在水溶液中溶解，然后通过加入离子交联剂使其中交联反应发生，形成水凝胶。
三、水凝胶应用1.医疗领域：水凝胶在医疗领域广泛应用，如生物医用凝胶、组织工程载体材料、敷料等。
其中，聚丙烯酸钠凝胶广泛用于生产卫生巾、纸尿裤等日用品。
2.环境保护领域：水凝胶在环境保护领域也有着广泛应用，如污水处理、海藻收集、水土保持等。
其中，壳聚糖凝胶可作为海藻收集材料，聚乙烯醇凝胶可作为土壤水分保持材料。
3.其他领域：水凝胶在其他领域也有着一些应用，如食品工业中的增稠剂、涂料工业中的质感调节剂等。
医用水凝胶的成分
医用水凝胶的成分全文共四篇示例，供读者参考第一篇示例：医用水凝胶是一种具有优异吸水性能的生物材料，被广泛应用于医疗领域，用于创面敷料、生物医学材料等方面。
水凝胶通常由多种成分组成，这些成分在制备过程中起着关键作用。
下面将介绍医用水凝胶常见的成分及其作用。
1. 水水是水凝胶中最主要的成分，它是让水凝胶具有优异吸水性能的关键。
通过吸收水分，水凝胶能够形成一种保湿的环境，有助于促进创面愈合和伤口愈合。
水也是许多其他成分的载体，有助于成分的稳定性和分散性。
2. 聚合物聚合物是构成水凝胶网络结构的重要成分，常见的聚合物包括明胶、聚丙烯酸钠（PAA）、聚乙烯醇（PVA）等。
这些聚合物具有优异的吸水性能和生物相容性，能够有效地吸收水分并形成凝胶结构，为伤口提供保护和促进愈合。
3. 交联剂交联剂是将聚合物链相互连接形成网络结构的物质，常见的交联剂包括硼烷、烷基硼酸等。
通过交联作用，可以增强水凝胶的机械强度和稳定性，提高其吸水性能和生物相容性，同时也有助于控制水凝胶的释药性能。
4. 添加剂除了上述主要成分外，水凝胶中还常添加一些功能性添加剂，如抗菌剂、抗氧化剂、调节剂等。
这些添加剂能够改善水凝胶的抗菌性、抗氧化性和药效特性，提高其在医疗领域的应用效果。
医用水凝胶的成分多样且相互配合，通过合理设计和控制成分比例，能够制备出具有优异性能和功能的水凝胶产品，为伤口治疗和生物医学领域提供有效的支持和保护。
在未来的研究和应用中，将进一步探索和优化水凝胶的成分及其作用机制，推动其在医学和生物医学领域的应用发展。
第二篇示例：医用水凝胶是一种常用于医疗领域的治疗材料，具有良好的生物相容性和可调控的力学性能，目前已被广泛应用于创面愈合、药物释放、组织工程等领域。
水凝胶主要由水和凝胶形成的聚合物构成，不同的医用水凝胶成分会影响其性能和应用领域。
一般来说，医用水凝胶的成分可以分为以下几类：1. 聚合物基质：医用水凝胶的主要成分是一种聚合物基质，它在水中形成网状结构，可以吸收水分并保持凝胶的稳定性。
聚乙烯醇水凝胶的制备及其性能研究
长春工业大学硕士学位论文
原创性声明
本人 郑 重 声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行研究 工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不含任何其他个人或 集体已经发表或撰写过的作品或成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集 体，均已在文中以明确方式标明。本声明的法律结果由本人承担。
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Ｈｙｄｒｏｘｙａｐａｔｉｔｅ ｂｙ ｖｉａ ＩＲ ｓｐｅｃｔｒｕｍ ａｎｄ Ｘ－ｒａｙ ｄｉｆｆｒａｃｔｉｏｎ ｓｐｅｃｔｒｕｍ，Ｗ ｅ ｃｏｎｓｉｄｅｒｅｄＮ ａｎｏ－Ｈｙｄｒｏｘｙａｐａｔｉｔｅａ ｎｄＰ ｏｌｙ（ｖｉｎｙｌａ ｌｃｏｈｏｌ）ｈ ａｄｓ ｔｒｏｎｇｉ ｎｔｅｒａｃｔｉｏｎ， ｔｈｅｃ ｒｙｓｔａｌｐ ｅｒｆｅｃｔｄ ｅｇｒｅｅｃ ｏｕｌｄｉ ｍｐｒｏｖｅｔ ｈｅｃ ｈｔｈａｌｐｙ．
１．２．２水凝胶的分类 根据 水 凝 胶网络键合的不同，可分为物理凝胶和化学凝胶［ｌ０１，物理凝胶
是通过物理作用力如静电作用、氢键 、链的缠绕等形成的，这种凝胶是非永 久性 的，通过加热凝胶可转变为溶液，所 以也被称为假凝胶或热可逆凝胶 。 化学凝胶是 由化学键交联形成的三维网络聚合物，是永久性的，又称为真凝
有鸽 论文作者签名：
日期： １护宁 年 ０乎月 。１日
长春１业大学硕士学位论文
第一章 文献综述
Ｌｌ水溶性聚合物１’１
水 溶 性 聚合物又称水溶性 高分子化合物 ，是一种亲水性的高分子材料，
在水 中 能溶 解 而形成水溶 液或 分散液 。
水 溶 性 高分子的亲水性，来 自于其分子中含有的亲水基因。最常见的亲 水基 团是羚基 、轻基、酞胺基 、胺基、醚基等。这些基团不但使高分子具有 亲水性 ，而且使它具有许多宝贵的性能，如粘合性 、成膜性、润滑性、成胶 性、鳌合性、分散性 、絮凝性 、减磨性 、增稠性等。水溶性高分子的分子量 可 以控制 ，高到数千万，低到几百。其亲水基团的强弱和数量可 以按要求加 以调节，亲水基团等活性官能团还可 以进行再反应，生成具有新官能 团的化 合物 。上面三种性能使水溶性高分子具有多种多样的品种和宝贵性能，获得
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。
水凝胶的合成、性质及应用
通常测定水凝胶的力学性能包括拉力试验( 橡胶弹性行为) 和动态力学分析( 粘弹行为) 。
在大多数同轴拉伸试验中, 样品在适当的模具中切成哑铃状, 然后放在两个夹具之间, 在不同 的载荷和速率下反向拉伸, Peppas 等[ 17] 详细讨论了典型样品的尺寸及实验方法。柱状水凝胶
的强度用压缩强度表征, 相当直径的水凝胶被切成等长度的样品, 在不同压力及速率下压缩, 则可得到凝胶的压缩强度[ 7, 18] 。
为了测定聚合物的时间依赖性, 动态粘弹行为, 需要进行动态力学试验, 样品要求作成薄
的长条状, 边成直角, 断面均匀, 运用剪切应力完成试验, 所以, 哑铃状不再是最佳的样品形状, 最佳的样品形状与材料的模量有关, L ustig[ 19] 等在聚甲基丙烯酸羟乙酯和聚( 甲基丙烯酸羟乙
酯 共 甲基丙烯酸甲酯) 水凝胶的动态力学试验中, 采用 6cm 1cm 0. 3cm 的样品尺寸。 另外需要指出的是, 有关水凝胶的力学性能测试, 目前还没有一个统一的标准。
水凝胶的力学强度几乎完全起因于凝胶的交联。增加交联剂的含量可提高交联密度, 从 而提高凝胶的强度, 但应注意在某些体系中加入大量的交联剂常常导致非均相现象发生。比 如, 在 PA Am 凝胶中加 N , N 亚甲基双丙烯酰胺( Bis) [ 22] , 当 Bis 的量超过 5% 后, 出现非均相, 尽管凝胶的强度仍被提高, 但在非均相体系内, 交联剂之间反应形成大量的环, 对凝胶强度的 提高没有贡献。另一个提高交联度的方法是 采用电离辐射法[ 7, 14] , 许多水溶性聚合物水溶 液, 比如 PVP、PVA、PHEM MA、PEO、PAAm 、PAAc 等辐照后可形成水凝胶, 且随着剂量的增 加, 凝胶的交联度增加, 凝胶强度提高。但是, 随着凝胶交联度的增加, 凝胶网络孔径变小, 溶 胀度下降, 网络分子链的活动性下降, 凝胶的弹性也下降。 2. 3. 3 合成条件的影响
水凝胶敷料
5
• 水凝胶是一些高聚物或共聚物 吸收大量水分形成的溶胀交联 状的半固体，其交联方式有共 价键、离子键、范德华力和氢 键。水凝胶对低分子物质具有 较好的透过性，有优良的生物 相容性，具有药物缓释性能。 • 水凝胶有一定的水含量，良好 的生物相容性，不影响生命体 的代谢过程，而代谢产物又可 通过水凝胶排出，这样，在湿 润的环境下，伤口不会结痂， 且比在干燥环境下愈合更快。
8
海藻酸类敷料
• 海藻酸类敷料与创面渗液接触时通过离子交换可形成海藻酸钠。海藻酸 钠具有吸收大量液体的能力，可吸收自身重量20倍的渗液，为纱布的 5—7倍。海藻酸钠可吸收水分直至饱和状态才停止，吸收渗液后发生膨 胀起到凝胶作用。凝胶作用有利于创造伤口愈合的湿润环境，并经生物 降解溶解在渗液内，能完整剥离，纤维不残留在创面上。同时，钙离子 释放到伤口诱导血小板活化，产生止血生长因子，起到止血和加速创面 愈合的作用。 • 海藻酸钙还具有吸附细菌、阻挡细菌通过的屏障作用，并通过刺激伤口 巨噬细胞的活化来增强创面抗致病微生物的防御。但单独应用时粘附性 较差
• 水凝胶敷料是一类性能优于传统敷料和生物敷料的新型生物材料，在 生物医 学工程领域有广泛的研究和应用。 作为理想的医用敷料，具备以下功能： ①防止水分和体液的过度散失 ②抵御细菌的入侵，防止感染； ③与创面帖合良好，但不应与创面粘合以免更换敷料带来二次损伤： ④透湿、透气并使创面处于湿润但又没有积液的环境： ⑤生物相容性好，有促进伤口愈合功效。 目前，水凝胶和水胶体敷料占有全球30多亿美元的敷料和绷带市场的大 部分。 因此，研制开发组成稳定、性能优良、价格低廉、抗原性弱的新型
3
传统敷料
• 传统敷料原料来源广泛，质地柔软，成本低。临 床上常使用的传统敷料是纱布、棉垫等。但传统 敷料止血效果不令人满意，没有保湿作用，肉芽 组织容易长入纱布网眼中，导致粘连结痂。而且 敷料浸透时易导致外源性感染，从而造成二次性 损伤。
【doc】水凝胶医用敷料的研究概况
【doc】水凝胶医用敷料的研究概况水凝胶医用敷料的研究概况轻纺工业与技2011年第40卷第1期水凝胶医用敷料的研究概况陈向标(五邑大学纺织服装学院,广东江门529020) 【摘要】介绍水凝胶敷料在医疗卫生领域的应用,叙述了水凝胶医用敷料的制备原料,制备方法以及水凝胶医用敷料的诸多优点.【关键词】水凝胶;医用敷料;静电纺丝中图分类号:TQ342+.87,R318.08文献标识码:B文章编号:2095—0101(2011)0l 一0066—03水凝胶是功能高分子材料的一种,内部带有强烈的亲水基团,因而对水有特殊吸附作用,通过分子间交联,形成网状结构.吸水性凝胶材料吸水的特点不同于海绵,棉布等吸附材料,它可以吸收是自身质量成百上千倍的水,并与水牢固结合,然后膨胀形成水凝胶.这种凝胶中的水即使受到相当大的压力也很少被挤出.这一特殊功能使得吸水性高分子凝胶材料在被发现之后就得到了快速发展.水凝胶医用敷料是近年来发展起来的一种新型的创伤敷料.与传统的敷料相比,水凝胶能促进伤口更好地愈合,减轻患者的疼痛,它能改善创面的微环境,抑制细菌的生长.水凝胶特别适用于常见的体表创伤,如擦伤,划伤,褥疮等各种皮肤损伤.对于这些伤口,传统上医生一般用无菌纱布及外用抗生素处理.纱布易与皮肤伤口组织粘连,换药时常常破坏新生的上皮和肉芽组织,引起出血,这不但不利于伤口的愈合,而且使病人疼痛难忍.用水凝胶敷料敷贴在伤口上时,它不但不粘连伤口,不破坏新生组织,而且能杀死各种细菌,避免伤口感染f".1制备水凝胶的原料制备水凝胶一般采用高分子材料,包括天然高分子材料和合成高分子材料.天然高分子材料因其生物相容性较好而常被选用, 但是天然高分子也存在一些缺点:比如材料性能的重复性差,机械强度较差,而且结构与性能可调范围窄,致使收稿日期:2010—11-03作者简介:陈向标(1985.3一),男,广东省陆丰市人,在读研究生.研究方向:生物医用纺织品.其难以满足医学上的各种实际要求.合成高分子用来制备敷料用水凝胶具有诸多优点: 合成材料通过控制条件,其生产重复性好,可根据需要大量生产,通过简单的物理,化学改性,获得广泛的性能,以满足不同需要121.但合成高分子的生物相容性一般较差,可用来制备敷料用水凝胶的原料种类也有限. 因此研究利用天然高分子与合成高分子合成杂化高分子水凝胶引起人们更为广泛的重视,这种方法将两者的优点结合起来,以提高水凝胶的性能.既能保留人工合成高分子材料基质的力学强度,又能具有天然高分子材料的良好生物相容性.常用于制备敷料用水凝胶的聚合物原料如表1. 表1常用来制备敷料用水凝胶的聚合物材料类别聚合物天然高分子藉嚣概鼬'嗽衙艨,合成高分子詈篙卿峭.烷酮'聚天然一合成壳聚糖一聚乙二醇,壳聚糖一聚乙烯吡咯烷酮,胶原蛋复合高分子白一聚丙烯酸2水凝胶的制备方法水凝胶的合成主要分为物理方法和化学方法.物理方法主要有共混法,冻融法,纺丝法等.作用的机理主要是通过静电作用,氢键,链的缠结等物理交联作用形成凝胶.化学方法主要有:接枝共聚,高能辐射(如电子辐射,射线)交联等.作用的机理主要是由通过化学键交联形成三维网络聚合物.2.1冻融法主要是通过多次冷冻熔融循环使高分子在低温下 2011年第4O卷第1期轻纺工业与技67 结晶,这种结晶作用可促使聚合物内部形成微晶,其功能类似于物理凝胶网络交联点嘲.Park等人采用冻融法合成了PVA/PVP共聚物水凝胶以用于敷料,在合成过程中加入了芦荟成分,发现随着聚合物中芦荟含量的增加,凝胶的强度下降,但敷料中的芦荟成分可加快伤口的愈合[41.2.2静电纺丝法采用静电纺丝技术制备水凝胶纤维,可以得到直径可低至几十纳米超细纤维,因此具有很高的比表面积, 使其在水中溶胀快,吸液量大,同时得到的纳米纤维膜具有较好的孔隙结构,可以透湿透气.这样的结构和功能特点使其非常适合于制备医用敷料,所以近年来人们开始采用静电纺丝的方法制备纳米纤维敷料[51. 用静电纺丝的方法制备纳米纤维要求水凝胶的材料能溶于一定的溶剂,形成均匀的溶液,并可以进行静电纺丝,而且要制得的纳米纤维在水中应有一定的溶胀性.据目前的文献报道,能制成纳米纤维水凝胶的材料主要有:壳聚糖及其衍生物,纤维素,明胶,透明质酸等.MilenaIgnatova等人将壳聚糖和季胺化的壳聚糖分别与聚乳酸混合,然后静电纺丝,制得壳聚糖一聚乳酸和季胺化壳聚糖一聚乳酸纳米纤维,并用戊二醛蒸汽对纳米纤维组成的无纺毡进行交联,形成的水凝胶在水中溶胀度达170%,纤维毡对大肠杆菌,金黄色和葡萄球菌具有较强的抑菌作用,因此可以用来制备医用敷料嘲. Chong等人将PCL与明胶的共混,然后利用静电纺丝将共混物放到3M公司生产的Tegadem聚氨酯敷料上面,形成一层具有孔隙结构的三维支架层,这种敷料应用于创面上时可促进纤维原细胞的迁移和繁殖,加快伤口处真皮层的愈合同.2.3共混法共混法是比较简捷的方法,可以产生物理交联效果,在共混过程中产生相分离,制成的水凝胶可用作医用敷料,可促进生长因子的产生,加快伤口愈合. 将海藻酸钠与羧甲基壳聚糖共混后可以制成水凝胶膜,羧甲基壳聚糖中的一NH与海藻酸钠中的一COO一的强静电作用,使共混制得的水凝胶膜在湿的状态下具有较好的强度,优于单一的海藻酸水凝胶膜田. 2.4接枝共聚接技共聚指大分子链上通过化学键结合适当的支链或功能性侧基的反应.通过共聚,可将两种性质不同的聚合物接枝在一起,形成性能特殊的接枝物. Siriporn 等人研究了以丙烯酸接枝甲壳素制备水凝胶于敷料.以重量比chitin:PAA=I:4时制成的水凝胶膜的溶胀度达30,60%,且具有较好的机械强度和细胞相容性,可以用作水凝胶敷料I91.2.5高能辐射交联电子辐射交联和射线交联是合成医用水凝胶的最常用方法,具有反应条件温和,不使用有毒交联剂等优点【.Lugao等人用PVP,PEG与琼脂共混,采用电子辐射交联制成水凝胶,并用于制备水凝胶敷料,该水凝胶通过吸水和脱水实验,发现水通过扩散作用进入到凝胶基质中,松散地结合在PVP网络中,这有助于了解敷料吸水和脱水的过程.水凝胶敷料中,不仅要考虑水凝胶对伤口渗出液的吸收,还要考虑水凝胶脱水的速率,防止水分的快速蒸发而导致伤口变干燥Il1】. 3水凝胶医用敷料的优点水凝胶医用敷料具有很好的亲水性,能吸收伤口的渗出液,而且不与伤口粘连,因此换药时不会破坏新生的肉芽或上皮组织.敷用时,医生将水凝胶敷料粘贴在患者的皮肤表面上,然后再用胶布或聚氨酯薄膜固定在伤口上.更换的时候,只要将水凝胶轻轻地揭掉,或用生理盐水冲洗掉.更换过程对创面的影响很小,这是各种医用纱布所无法比拟的.与其他常用的敷料相比,水凝胶不会在伤口上脱落纤维等杂质.在伤口愈合时,可以很方便地把水凝胶从伤口上冲洗去.在一些有皮肤组织损失的伤口,例如植皮,擦伤,烧伤等,适合使用片状水凝胶.在这些伤口上, 水凝胶片保护了伤口,避免伤口的脱水干燥.这也是水凝胶的最大优点——它能在伤口上产生一个湿润的环境,促使伤口上的坏死组织被酶分解,因而为伤口的愈合创造了一个良好的环境n1.总的来讲,与其他种类的功能性医用敷料相比,水凝胶敷料有如下一些优点: 有利于维持创面的湿润环境,使伤口不易结痴.避免了使用纱布时,纱布常常与伤口粘在一起,更换时易引起伤口开裂,不利于伤口愈合,给患者造成痛苦的状况:由于水凝胶是透明的,有利于患者和医生透过凝胶随时观察伤口的变化情况;可根据需要,将不同药物包埋在水凝胶内,药物可缓缓持续地释放到病变区,可以促进伤口的愈合或减轻伤口的疼痛;水凝胶不与伤口作用,伤口渗出物可通过凝胶排出:水凝胶较柔软,弹性好,机械性能好,透水透气,并且无毒副作用;轻纺工业与技2011年第4O卷第1期原料来源广,水凝胶由90%左右的水组成,成本低, 制备水凝胶的亲水性高分子,如海藻酸钠,果胶等价格也相对较低;生产的流程短,工艺简单方便【ll.临床上,水凝胶医用敷料已经被证明具有很好的疗效.4结语水凝胶医用敷料具有传统敷料所无可比拟的诸多优点,因此我们要加强具有自主产权,性能优良,价格低廉的水凝胶医用敷料的研究和开发,减少对国外进口敷料的依赖,这对减轻病人的经济负担和痛苦,对我国敷料工业的发展,都具有重要意义.参考文献【1】秦益民.功能性医用敷料【M】.北京:中国纺织出版社.2007.[2】傅杰,李世普.生物可降解材料在生物医学领域的应用【JJ.武汉工业大学.1999,21(2):l一4.[3】MatsudaK,SuzukiS,IsshikiN.Re—frezzedriedbi—layerartifieialskin[J].Biomaterials,1993,14:1030—1035.【4】ParkKyoungRan,NhoYoungChang.Preparation andcharacterizationbyradiationofHydrogelsofPVPand PVPcontainingAloeveraIJI.JournalofAppliedPolymerScienee,2004,91(3):1612—1618.[5]SeemaAgarwal,JoaehimH.Wendofff,AndreaseofelectrosPinningteehniqueforbiomedicalapplications,Polymer,2008,49:5603—5621.【6】MilenaIgnatova,NevenaManolova,NadyaMarko—va,eta1.Electrospunnon—wovenNanofibroushyoridmatsbasedonchitosanandPLAforwound-dressingapplicationsfJ1.Macromolecular,Bioscienee,2009,9(1):102—111.【7】ChongEJ,PhanTT,LimIJ.Evaluationofelectro—spunPCL/gelatinnanofibrousscaffolds[J].Forwoundhealing andlayereddermalreconstitution,2007,3(3):321—330.[8】ZhangLina,Guoji.Blendmembranesfromear-boxymethylatedehitosan/alginateinaqueoussolution[J]. 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高分子水凝胶从结构设计到功能调控
精彩摘录
乳液聚合法则是将高分子溶液与交联剂、引发剂等混合在一起，形成乳液，然后在一定条件下进 行聚合反应。辐射聚合则是利用放射线引发高分子聚合反应，形成水凝胶。 性能调控与表征 高分子水凝胶的性能调控主要通过分子设计、反应机理等方法实现。分子设计主要是通过改变高 分子链的结构和性质，从而改变水凝胶的性能，如弹性、吸水性、溶胀性等。反应机理则是通过 控制交联反应的进程和程度，从而改变水凝胶的结构和性能。 表征高分子水凝胶的性能指标有很多种，包括杨氏模量、断裂强度、溶胀度、吸水率等。杨氏模 量是指水凝胶在拉伸时的弹性模量，是衡量其力学性能的重要指标。断裂强度是指水凝胶在承受 一定载荷时所能承受的最大应力，是衡量其耐久性的重要指标。溶胀度是指水凝胶吸水后的体积 变化率，是衡量其吸水性能的重要指标。
在生物医学领域，高分子水凝胶已经得到了广泛的应用。例如，在药物输送方面，高分子水凝胶 可以作为药物载体，能够控制药物的释放速度并提高药物的生物相容性。在组织工程方面，高分 子水凝胶可以作为细胞生长的支架，促进细胞的粘附和增殖，为组织再生提供良好的微环境。
内容摘要
在医疗诊断方面，高分子水凝胶可以作为成像剂或传感器，能够检测疾病或监测病情变化。 《高分子水凝胶从结构设计到功能调控》一书详细介绍了高分子水凝胶的各个方面，对于从初学 者到专业人士都有很好的参考价值。
高分子水凝胶从结构设计到功 能调控
读书笔记
01 思维导图
03 精彩摘录 05 目录分析
目录
02 内容摘要 04 阅读感受 06 作者简介
思维导图
本书关键字分析思维导图
凝胶
应用
调控
可以
调控
生物
化学
凝胶
结构设计
高分子 物理
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凝胶与功能水凝胶
1 凝胶的结构和性质 定义：gel是指溶胀的三维网状结构高分子，在高聚 物间相互连接形成的网状空隙中填充了液体介质. 水凝胶：液体介质为水，由水溶性或亲水性高聚物组 成.吸水性强，保水性能强,一般压力难以排除.
（1）凝胶的分类： A 交联键性质 化学凝胶：不可逆凝胶，经单体聚合或化学交联大分子 通过共价键连接，不溶不熔，结构稳定 物理凝胶：可逆凝胶，大分子间通过氢键或范德华力相 互连接，外界条件改变，物理链破坏，凝胶重新形成链状 分子溶解在溶剂中－溶液 如 明胶、聚乙烯醇水溶液 B 凝胶含液量 冻胶：含液量90％以上，网络中溶剂不能自由流动，呈 现弹性半固体状态
物理交联的设计与合成 1.荷电相反离子间相互作用交联
作为一种基于物理交联的设计与合成策略，一 些生物相容且可生物降解的水溶性聚电解质特别是 多糖类聚电解质与一些带相反电荷无机离子或聚离 子之间的相互作用交联(图3)已被成功用于医用多 糖基水凝胶的制备。
2.两亲性嵌段或接枝共聚物缔合交联 两亲性嵌段或接枝共聚物在水中能借疏水缔合作用自 组装形成类似于胶束和层状相等有序结构。利用这些原理， 设计并制备物理交联型医用水凝胶。
医用高分子水凝胶由于直接与生物系统相作用，除需 具备一般理化性能要求外，还需满足下述一些特殊性 能要求:
①水凝胶本身无毒，不致癌、不致崎，不引起人体细 胞的突变和不良组织反应; ②具有良好的生物或组织相容性，不引起中毒、溶血、 凝血、发热和过敏等现象; ③具有与人体天然组织相适应的力学性能; ④针对不同的使用目的而具有特定的功能。
1-1为未加交联剂吸水速率， 1-2为未加交联剂重复吸水速率 2-1为交联剂0.1‰重复吸水速率，2-2为交联剂0.1‰吸水速率 3-1为交联剂0.3‰重复吸水速率，3-2为交联剂0.3‰吸水速率 4-1为交联剂0.5‰重复吸水速率，4-2为交联剂0.5‰吸水速率
图4 BPO 1‰不同交联剂的吸水速率和重复吸水速率
反应时间
转换率 44.33% 60.46% 69.11% 66.21%
1‰
0.1‰
2‰ 0.3‰ 0.5‰ 1‰ 3‰ 2‰ 0 0 0.1‰
24 小 时
46.16%
59.0ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ%
62.62% 67.95% 64.26% 48.30% 50.94% 57.25%
36小时
称取适量水 凝胶材料 用蒸馏水浸泡 至溶胀平衡
第二部分 水凝胶的制备
水凝胶的制备
CH3 CH2 CH O C
N
O
CH2CH2OH
HEMA
CH2 CH O
O O C O O C
NH O NH O
NVP
引发剂：
交联剂：
BPO
N,N'-亚甲基 双丙烯酰胺
NVP:HEMA=7:3 反应温度：80℃ 反应时间：24小时或36小时 反应环境：N2 保护 通过改变引发剂BPO和交联剂的 用量来改善水凝胶的综合性能， 扩展其应用范围
1-1为未加交联剂吸水速率 1-2为未加交联剂重复吸水速率 2-1为交联剂0.1‰吸水速率 2-2为交联剂0.1‰重复吸水速率 3-1为交联剂0.3‰重复吸水速率 3-2为交联剂0.3‰吸水速率 4-1为交联剂0.5‰重复吸水速率 4-2为交联剂0.5‰吸水速率 5-1为交联剂1‰吸水速率 5-2为交联剂1‰重复吸水速率
化学交联的设计与合成 1.自由甚共聚反应交联
自由基共聚反应交联是迄今用于医用高分子水凝 胶设计和制备的最常用方法。 依赖于所需的合成原料化学结构与性能特点，两 种主要的途径被广泛采用: 一、通过一种或多种低分子量烯类单体在交联剂 存在下直接进行交联共聚反应; 二、先使原本不具聚合反应活性的一些水溶性聚 合物转变为含可聚合反应基团的衍生物、再进行交联 共聚反应。 其主要特点是可根据需要将不同敏感或功能特性 基团引人到聚合物水凝胶骨架中，同时可方便地调控 官能团的密度及水凝胶的交联程度。
3.结晶与分子间氢键作用交联 研究发现，将聚乙烯醇 (PVA) 水溶液进行冻融 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。
4.89
20.67 9.11 6.99 4.63 4.20 40.11 22.68 8.90
4.99
21.64 8.37 7.15 4.68 4.17 42.13 22.25 9.29
2‰
36小时
称取一定量的水凝胶材料在800C下干燥至
衡量，称其质量m1，然后用蒸馏水浸泡， 每隔半小时测定其质量m2，m3，m4等，由 此可计算出此水凝胶材料在不同时间段的 吸水速率。
溶胀度：一定温度下，单位质量或体积的凝胶所能吸收液体 的极限量
pH敏水凝胶：聚合物的溶胀与收缩随弧环境的pH、离子强度 变化而变化 阴离子水凝胶平衡溶胀度随pH增大而增大，阳离子型则随pH 增大而降低 温敏及pH双重敏感凝胶 将pH敏单体和温敏单体通过接枝和嵌段共聚或用互穿网络技 术合成的互穿网络水凝胶 N,N－二异丙基丙烯酰胺、 N,N-二甲基丙烯酰胺、油酸三元 共聚物水凝胶
拉伸强度随着引发剂用量增加而降低，其原因 可能是引发剂用量较高时，反应速度较快，但分子 量较小，分子链较短，大分子间的缠结作用不强， 分子间作用力小，因此拉伸强度较低。
第四部分 总结及进一步工作设 想
全文总结
本文以HEMA和NVP为单体，BPO为引发剂，N，N’-亚甲基双 丙烯酰胺为交联剂进行自由基共聚合，合成了HEMA/NVP二元共聚 物水凝胶。并且初步测试合成的水凝胶材料吸水速率，平衡溶胀度 ，单体转化率，重复吸水速率，重复吸水平衡溶胀度，拉伸强度， 大致讨论了引发剂用量，交联剂用量，反应时间对材料性能的影响 。 进一步工作设想 从本实验目前的结果来看，水凝胶的力学性能还不够理想，可 以从改变单体比例，加入第三单体，改变反应温度等方面着手，来 尝试提高材料的力学性能，改善材料综合使用价值。 另外，还可以将目前已有的制作水凝胶的配方用于载药方面的 尝试，为以后将其用于医用敷料方面提供一定的参考。
目前NVP-HEMA二元共聚物
水凝胶主要用于软性亲水接触 镜 ，其含水量38％～42％， 其保湿性和生物相容性、透氧 性均不是很理想。
课题的提出
因此，我们用HEMA和NVP作为
单体，BPO为引发剂，N，N´亚甲基双丙烯酰胺作为交联剂 进行共聚合，希望得到的产品 同时具备PVP与PHEMA的优异 性能。 同时我们通过改变反应条件和 配方，测定其各种性能，以扩 大其使用范围。
80。C干 燥至衡量
称其质量m1
称其质量m2
计算方法：平衡溶胀度W%=（m2-m1）/m1×100%
引发剂用 量
交联剂用量 0
反应时间
平衡溶胀 度g/g 7.99 6.68 5.51
重复吸水平衡 溶胀度g/g 10.59 6.79 5.65
1‰
0.1‰ 0.3‰
0.5‰
0 0.1‰ 2‰ 0.3‰ 0.5‰ 1‰ 3‰ 0 0 0.1‰ 24 小 时
第三部分 水凝胶的性能测试
单体转化率测定
水凝胶平衡溶 胀度的测定
水凝胶吸水 速率测定
水 凝 胶 性 能 测 试
水凝胶拉伸 强度测定
反应完毕后，称取 水凝胶的质量m1
泡于蒸馏水 中透析足够 长时间
80。C干燥至 衡量
称其质量m2 计算方法：转化率= m2 /m1×100%
引发剂用量 交联剂用量 0 0.1‰ 0.3‰ 0.5‰ 0
目录
1
研究背景及意义 水凝胶的制备
水凝胶的性能测试 总结以及进一步工作设想
2
3 4
第一部分 研究背景及意义
背景介绍
水凝胶是具有三维网络结构的交联聚合物,它能 够在水中溶胀至平衡并保持大量水分, 而又不 溶解于水。水凝胶是一种重要的功能高分子材 料, 是当前材料科学的研究热点之一。
水凝胶的应用
作为敷料的优点：
吸收能力强，吸收渗液后可形成凝胶，与创面结
合良好 易于更换，在伤口愈合的过程中，凝胶不会粘连 伤口 防止伤口感染，低毒甚至没有什么毒性，还可负 载各种药物
水凝胶的研究现状
pH敏感水凝胶
温度敏感性水凝胶
电场敏感性水凝胶 光敏感性水凝胶
NVP-HEMA水凝胶研究现状
温敏水凝胶：在水或水溶液中凝胶的溶胀与收缩强烈依赖温度 ，凝胶体积在某一温区有突变－低临界溶液温度 温敏原因：聚合物亲水亲油平衡值－聚合物链结构存在亲水和 疏水的平衡 聚N－烷基系列凝胶低温溶胀（结合水含量低，游离水含量高） 高温收缩－N孤对电子与水分子形成的氢键高温断裂
聚N－异丙基丙烯酰胺37℃突然收缩－全部为结合水无游离水
干胶：含液量15％，吸收液体膨胀变为冻胶.
(2) 凝胶形成因素
浓度：成胶需要最小浓度，增加浓度加速凝胶.
温度：温度低有利于凝胶化.
电解质：阴离子起主要作用 SO42-,Cl-加速凝胶， I-,SCN阻滞胶凝.
(3) 凝胶性质 触变性：凝胶与溶胶相互转化的过程外力－流体－ 外力停止－半固体
溶胀性：凝胶吸收液体后自身体积明显增大的现象. 第一阶段：溶剂分子钻入凝胶中形成溶剂化层. 第二阶段：液体分子继续渗透，凝胶体积大大增加. 脱水收缩：溶胀的凝胶于低蒸汽压液体缓慢自动从凝胶中 分离出来的现象.是链段间相互作用继续进行的结果.
为了合成所需的水凝胶，具有良好生物相容性的 一些亲水性聚合物及其与内酯、己内酯的嵌段共聚物、 聚乳酸及其共聚物、羟乙基甲基丙烯酸酯均聚物 (PHEMA)以及键合有合成高分子支链的天然多糖接枝共 聚物等现已被广泛地用于医用水凝胶基质的构建。 不同的交联方法包括通过自由基共聚反应、结构 互补基团间化学反应进行的化学交联法以及由带相反 电荷离子间相互作用、两亲性嵌段共聚物或接枝物疏 水缔合、结晶和氢键作用引致的物理交联法则被广泛 地用于医用水凝胶的设计与合成。