Copolymerization Chemical:
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
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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，