Chemical: Copolymerization 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
v2 , s
v2 , s
Zero-shear viscosity
or Ge
liquid
solid
Equilibrium modulus Ge appears (Ge 0)

Ge
0
gel point
crosslink density
dynamic moduli at gel point
10
4
10
3
G', G"
8
多功能反应物之间的缩合反应(见下图)亦被用于一些高分子 水凝胶的合成。典型的反应物包括多糖、胶原蛋白、PAAc、 PVA和PEG。
9
Hydrogel Synthesis
O O HO CH2 CH2 O n H + O O O Acryloyl Chloride Triethyl Amine O O Om O n O O m O photopolymerization O [Sn] 200 oC H O O O m O n O H m
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。 一些水溶性聚合物也能借分子间/内氢键作用聚集 交联、进而形成相应的高分子水凝胶，已被报导 的有聚甲基丙烯酸/PEG体系和聚甲基丙烯酸接枝 PEG体系等。
比例式 Mw - ( p < pc ) Rchar - ( p < pc ) Mmax -1/ (p < pc) Fg ( p > pc ) E ( p > pc )
p pc pc
Flory-Stockmayer模 型
逾渗模型 （d=3）
=1 = 0.5 = 0.5 =1 =3
7
结构互补基团间反应交联
一些生物相容性聚合物分子链上通常含有诸如一OH、一 COOH、一NH2一类的功能基团。这些基团不仅赋予聚合物 良好的水溶性，而且可与一些结构互补的化合物发生诸如 Schiff碱、加成、缩合一类的化学反应、彼此间形成化学 交联键。利用这些特性，具有不同结构与性能特点的医用 水凝胶可被设计与合成。 例如，用戊二醛交联含胺基的壳聚糖大分子得到可生物 降解的载药凝胶微球：
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；
•
合成水凝胶：聚氧化乙烯（PEO）或聚乙二醇 （PEG）、聚乙烯醇（PVA）、聚丙烯酰胺 （PAAm）、N-异丙基丙烯酰胺(NIPAAm）、聚甲基 丙烯酸羟乙酯（PHEMA）等。
天然与合成高分子杂化水凝胶。
PAG O
n N H O NH2
PAAc
HO
O n
Sasase, H.; Aoki, T.;Katono, H.;Sanui, K.; Ogata, N.; Ohta, R.; Kondo, T.; Okano, T.; 14 Sakurai, Y. Makromol. Chem., Rapid Commun., 1992, 13, 577
f =0.07
10
4
[Ca ] f [COO in alginate]
10
2
2
f =0.06
10
3
G',G" X 10 /Pa
f =0.05
10
critical gel
1
2
10
f =0.04
1
10
a =2
10
0
tan
/ rad s 1.99 6.31 10.00 15.85 19.95 31.63
•
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，
高分子水凝胶
2014.9.28
主要内容
1 2 水凝胶简介 高强度水凝胶 微凝胶 自愈合水凝胶 可注射水凝胶 其他
3
4 5 6
水凝胶的定义 Structure: Individual molecules Infinite network
Properties:
Lictors inducing gelation:
= 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:
聚电解质凝胶 （离子凝胶）
Gtotal Gelastic Gmixing Gionic
溶质运移中的主导因素是扩散作用 相关长度 1/ 2 2 r0 聚合物链的均方末端距

1 / 3

2 r0

1/ 2

（即无扰尺寸）
at gel point:
G" ( ) n tan tan( ) G' ( ) 2
Interpolation to determine gel point: tan independent of ; evaluation of n
海藻酸钠水溶液的动态粘弹性 5%
10 10 10
自由基共聚反应交联
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，早期报导的有关凝胶材料大 都是基于这一技术获得的。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： • 一是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；
• 二是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。
13
互穿网络（Interpenetrating Networks,IPN)
Made from poly(N-acryloylglycinamide) (PAG) and poly(acrylic acid) (PAAc) Hydrogen bonding between the two types of polymer at low temperatures
log G', log G''
at gel point:
slope = n
log
Relaxation modulus:
2 G' ( G (t ) sin( t )d 0
log G(t)
Slop= -n
S t n
log t
Constitutive Equation:
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。
7
6
4 9% 3 8%
tan
10
1
5
G',G" X 10 / Pa
10 10 10 10 10 10 10 10
4
3
2 7%
a
10
0
5% 6% 6% 7% 7% 8% 8% 9% 9%
MLGH#2 = 5 = 10 = 20 = 30 = 40 = 50
2
5
1
6
7
8
9
CAlg / wt%
(t )

t

G (t t ' ) (t ' ) dt '
t

S
(t t ' )
n
(t ' )dt'

Zero-shear viscosity at gel point:
0 (t ) 0
t
S lim t 1 n 1 n t
Other IPNs
From poly(acrylamide), PAAm, and PAAc which form hydrogen bonds at low temperature
PAAc O H HN PAAm O H O