水凝胶

　　水凝胶是以水为分散介质的凝胶。具有网状交联结构的水溶性高分子中引入一部分疏水基团和亲水残基，亲水残基与水分子结合，将水分子连接在网状内部，而疏水残基遇水膨胀的交联聚合物。水凝胶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。

水凝胶的定义

　　水凝胶是能够吸收及保持大量水分而又不溶于水的三维交联网络结构材料。其网络由大分子主链和亲水性官能团构成，是一类集吸水、保水于一体的功能高分子材料。自20世纪40年代以来，水凝胶的物理化学性质已得到广泛的关注，其中Flory从热力学角度出发提出了凝胶弹性理论，为水凝胶的分子设计和功能化构筑提供了理论基础。

　　水凝胶网络的交联可以是共价键、离子键、范德华力、氢键或者是物理缠结。溶胀程度和力学性能与聚合物网络的交联密度密切相关。一般交联密度越高，水凝胶的溶胀程度越低，而力学性能越高。水凝胶自身的结构使其同时具备固体和液体的性质，即力学上表现出类固体性质，然而热力学上却表现出类液体行为。

水凝胶的分类

　　根据制备水凝胶的原料：

　　根据制备水凝胶的原料可分为合成高分子水凝胶和天然高分子水凝胶。

　　用于制备水凝胶的合成高分子包括聚乙二醇、聚乙烯醇、聚甲基丙烯酸羟乙酯、聚丙烯酸、聚甲基丙烯酸和聚丙烯酰胺等。

　　用于制备水凝胶的天然高分子包括胶原/明胶、透明质酸、纤维蛋白、海藻酸、纤维素、琼脂糖和壳聚糖。

　　根据水凝胶对外界刺激的响应：

　　根据水凝胶对外界刺激的响应情况，水凝胶可以分为传统水凝胶和智能水凝胶。

　　传统水凝胶对环境变化不敏感，而智能水凝胶对外界温度、光、电、磁、pH、压力等条件变化具有响应性。

　　温敏水凝胶的分子含有一定比例的亲水和疏水基团，温度变化可以影响这些基团的亲水性、疏水性以及氢键作用，导致溶胀率变化。

　　pH敏感水凝胶的网络结构中都含有酸性(如羧基)或者碱性基团(如胺基)，环境pH或者离子强度变化会改变水凝胶结合水的能力，从而导致水凝胶的体积变化。

　　对电场敏感有关水凝胶通常也是高分子电解质，在电场的作用下收缩、溶胀或者弯曲，这主要是由于凝胶内外在电场作用下产生离子浓度差，引起渗透压的变化。

　　紫外线敏感水凝胶是将三苯甲基隐色体衍生物引入聚合物网络中，在紫外线作用下从中性转化为阳离子，由收缩状态转变成溶胀状态。

　　根据电中性水凝胶理论，压力敏感水凝胶在水压高的条件下处于溶胀状态，而在水压低的条件下处于坍塌状态。

　　根据水凝胶的尺寸：

　　根据水凝胶的尺寸不同可以分为宏观凝胶和微凝胶，根据形状不同可以分为凝胶块、凝胶膜、凝胶纤维和凝胶微球等。

水凝胶的制备

　　水凝胶的制备与其交联网络结构的形成密切相关。一般说来，水凝胶的交联网络结构可以通过两种方式形成：以分子间形成共价键方式形成的化学交联;通过范德华力、氢键、离子键和疏水相互作用等超分子结构形成物理交联。

　　1、物理方法

　　物理方法是指通过范德华力、氢键、静电吸引和疏水相互作用等非共价键形成各相异性的差别区，如微晶、胶束、螺旋和复合物交联区等，从而将聚合物分子链交联得到水凝胶。

　　例如，在丙烯酸和丙烯酸十八烷基共聚物中，十八烷基侧链在50℃时发生晶体一无定形态转变。当无定形聚合物在水或者二甲亚砜中加热后，冷却过程中十八烷基侧链会发生聚集并结晶，从而形成混浊不均匀的凝胶。

　　聚乙烯醇在水或者水一有机混合溶剂(如二甲亚砜、乙二醇和甘油等)中溶解，通过冷冻一解冻循环形成以氢键结晶微区为交联点的水凝胶，具有较好的力学性能。此外，添加有机溶剂可以起到抵消冷冻一解冻引起的水凝胶性能下降以及促进水凝胶结构稳定性的作用。将两种不同电荷的聚电解质混合在一起，通过分子链间的静电相互作用可以形成静电复合水凝胶。

　　水凝胶的结构和性能可以通过调节聚合物的结构、浓度、电荷密度、溶液pH和离子强度等参数进行控制。

　　2、化学方法

　　与物理水凝胶不同，化学水凝胶不可逆，是通过共价键连接的三维网络结构。化学方法制备高分子水凝胶的起始原料可以是单体(水溶性或者油溶性单体)、聚合物，或者单体聚合物的混合物。化学交联是非自发的，聚合物与小分子交联剂(如醛类)反应，或者通过辐射(如电子束、γ射线，或者紫外线)引发反应。

　　化学方法包括单体的交联聚合、接枝共聚和水溶性高分子的交联等。单体交联聚合是指在交联剂存在下，单体经自由基均聚/共聚制备高分子水凝胶。

　　水凝胶的结构和性质可以通过改变引发剂、交联剂、链转移剂等方法控制聚合反应动力学作用过程实现。此外，聚合方法(水溶液聚合法或者反相悬浮聚合法)、单体的种类和组成、交联剂的结构和类型(水溶型或油溶型)等因素也决定水凝胶的综合性能。

　　化学水凝胶也可以通过烯烃类单体在纤维素等天然高分子(或者衍生物)上接枝共聚制备而成。常见的引发剂为硝酸铈铵，它与天然高分子葡萄糖环配位破环形成自由基，导致烯烃类单体与天然高分子接枝共聚。辐射、氧化还原引发剂和过氧化物也能夺取天然高分子链上羟基碳原子上的氢，进而产生初级自由基，实现接枝共聚。

　　将淀粉、纤维素衍生物、聚丙烯酸、聚丙烯酰胺、聚乙烯醇等水溶性高分子通过交联剂进行化学交联也可以制备聚合物水凝胶。交联剂必须是能够与高分子反应的多官能团化合物，如环氧氯丙烷、戊二醛、二乙烯砜和(聚)乙二醇缩水甘油醚等。同理，高能射线的照射也可以使水溶性高分子链间发生交联，并能够通过调整辐射剂量来控制聚合物水凝胶的性能。化学水凝胶在水溶液中既不会分解，也不溶解。

水凝胶的应用

　　一、医YY水凝胶

　　1、用作药物递送体系的水凝胶

　　用作药物递送体系的水凝胶能够向人体特定位置释放包埋在其中的药物。水凝胶载体在病灶处富集，药物分子缓慢扩散出载体，或者通过载体的降解快速释放出来，到达细胞，实现ZL的目的。

　　壳聚糖是一种线形多糖，其组成单元是β-(1，4)-2-氨基-2-脱氧-D-葡萄糖，是一种阳离子聚电解质，它广泛地存在于低等植物藻类、菌类的细胞和高等植物的细胞壁中和节肢动物软体动物的甲壳中，每年生物产量巨大。由于壳聚糖具有良好的生物相容性、刺激响应型和可降解性，且不易导致免疫反应，壳聚糖基水凝胶常被用于药物递送领域。

　　2、用作KJ创伤敷料的水凝胶

　　用作KJ创伤敷料的水凝胶可以直接与人体组织接触，以YZ杂菌的生长来防止感染，同时防止体液大量流失，水凝胶材料的透气性还使得创口能得到适量的氧气，从而达到促进伤口愈合的目的。

　　壳聚糖水凝胶同样也可以用作KJ创伤敷料。有学者通过辣根过氧化物酶(HPR)催化制得Ph-壳聚糖/Ph-PVA互穿水凝胶，并经细胞实验和细菌行为学实验证明，该复合水凝胶具有良好的可降解性、生物组织相容性及有效的KJ性能。

　　二、组织工程用水凝胶

　　水凝胶作为组织替代材料在生物体的损伤修复中起到了重要的作用。这种水凝胶需要有一定的机械强度，还要能支持细胞在其中的黏附、分裂增殖和扩散。

　　胶原蛋白就是修复组织损伤的理想材料，它是细胞外部基质的主要成分，是细胞生长的支架和依附，也是参与创伤愈合的主要结构蛋白。胶原蛋白是由三条肽链组成的三股螺旋，它在生物体内能够形成胶原蛋白纤维和胶原蛋白纤维束，进而形成宏观网络结构，构成组织的结构框架，进而赋予生物组织优异的生物力学性能。

　　有学者曾利用胶原蛋白自组装法制备胶原蛋白/丝素/壳聚糖复合支架，胶原蛋白自组装成高度有序的多孔结构，其具有高强度、耐降解、高细胞存活率的特点，可作为骨缺损情况下的支架材料。

　　三、污水处理用水凝胶

　　用于重金属和色素吸附的材料需要有较高的吸附容量、较快的吸附速率和较好的再生性能。水凝胶具有亲水的三维网络结构，可以吸收大量污水，并通过羧基、酰胺基、羟基、磺酸基等基团吸附重金属离子和色素分子，从而达到净化水的效果。

　　有学者就制备了羧甲基纤维素接枝聚磺甲基化丙烯酰胺水凝胶，并对该强阴离子性水凝胶对重金属离子的去除条件和去除效果进行测定。实验结果表明，该水凝胶对铅离子有很好的吸附脱除性能，1g树脂可吸附2.7mg铅，脱除率可达95%。

　　四、农林保水用水凝胶

　　水凝胶具有高亲水性，其颗粒可在植物根部形成“微型水库”，从而起到保水防旱的作用。保水剂的吸水倍率，保水性、稳定性等由聚合物的性质及其交联度决定。相同聚合物的情况下，交联度越低，吸水倍率越高，但其保水性、稳定性和凝聚强度就越低。

　　有学者以丙烯酸淀粉作为原料，N，N-二甲基丙烯酰胺作为交联剂，通过三元物接枝共聚法取得了效果ji佳的保水材料，它成本低且吸水效果好，除了吸水，还能吸收肥料、农药，并缓慢的释放出来以增加肥效和药效。