水凝胶的简介
目录
水凝胶的定义 水凝胶的基本性质 水凝胶的分类 水凝胶的制备 水凝胶的应用 研究前景
定义
水凝胶是一种能够在水中溶胀并保持一定 水分而又不溶于水的具有三维网络结构的 新型功能高分子材料，兼有固体和液体的 性质
水凝胶具有良好的生物相容性 ,自 20世纪 40 年代以来 ,有关水凝胶的合成、理化性质 以及在生物化学、医学等领域中的应用研究 十分活跃
性质
吸水溶胀是水凝胶的一个重要特征。
溶 胀 收
在溶胀过程中 ，一方面水溶剂力图渗入高聚物内使 其体积膨胀，另一方面由于交联聚合物体积膨胀 ,导 致网络分子链向三维空间伸展 ，分子网络受到应力 产生弹性收缩能而使分子网络收缩。
缩
行
当这两种相反的倾向相互抗衡时 ，达到了溶胀平衡 , 可见凝胶的体积之所以溶胀或收缩是由于凝胶内部 的溶液与其周围的溶液之间存在着渗透压 。 水凝胶的溶胀收缩行为通常用凝胶溶胀前后的质量 百分比表示 ,对于膜的溶胀也常用膜面积的变化表示。
载体的接枝共聚
• 水凝胶的机械强度一般较差 ， 为了改善水凝胶的机械强度 ， 可以把水凝胶接枝到具有一定强度的载体上。 • 在载体表面产生自由基是最为有效的制备接枝水凝胶的技术 ， 单体可以共价地连接到载体上。 • 通常在载体表面产生自由基的方法有电离辐射、紫外线照射、 等离子体激化原子或化学催化游离基等，其中电离辐射技术是 最常采用的产生载体表面自由基的一种技术。
有一些两组分或多组分 的补齿材料含有 HEMA 或其他亲水型聚合物 ， 这些材料被放在颚槽或 牙根部的孔内聚合或交 联 ，在大多数情况下 ， 这些反应由 UV 引发。
生物分子、细胞的固定化
水凝胶固定化的生物分子和细胞在分析、 医学诊断等方面有着广泛的应用。 生物分 子和细胞可以固定在水凝胶小球的表面或 其内部 ，然后装填柱子 ，这样的柱子可以 用于分离混合物中的特殊生物分子。 生物 传感器是表面固定了生物分子或细胞的电 化学传感器 ，生物分子一般固定在与生物 传感器物理元件相连的水凝胶表面或其内 部。 水凝胶膜是连接生物分子和物理元件 的枢纽 ，因此很重要 。
分类
形状大小 宏观凝胶与微观 凝胶 (微球) 之分， 形状的不同宏观 凝胶又可分为柱 状、多孔海绵状、 纤维状、膜状、 球状等 ,目前制 备的微球有微米 级及纳米级之分 对外界刺激的响应情况 传统的水凝胶和环境敏 感的水凝胶 。传统的水 凝胶对环境的变化如温 度或 pH 等的变化不敏 感 ，而环境敏感的水凝 胶是指自身能感知外界 环境 (如温度、pH、光、 电、压力等) 微小的变化 或刺激 ，并能产生相应 的物理结构和化学性质 变化甚至突变的一类高 分子凝胶。
农业、土建
水凝胶材料可用在农用薄膜、农业园艺用保 水材料、污泥固化、泥水添加剂、墙壁顶棚 材料等方面。 绿化沙漠是高吸水性水凝胶材 料极有潜力的用途之一 ，可通过制成保水剂 的方式实施。
生物医学
•烧伤涂敷物 •药物传输体系 •补齿材料 •移植 •隐型眼镜 •生物分子、细胞的固定化
烧伤涂敷物
水凝胶材料直接用于与人体组织接触 ，可防止 体外微生物的感染 ，抑制体液的损失 ，传输 氧到伤口 ，一般说来能促进伤口的愈合。 在 中欧 ，注册商标为 HDR或AQUA2GEL 的水 凝胶烧伤涂敷物 ，销售前景看好 ，这种产品 是通过辐射法制备的。 这种涂敷物也可制成喷 雾液、乳液或膏状 ,一些消炎药物也可包埋其 中 ，透过凝胶缓慢地释到受伤部位 ,加速伤口 的愈合。
为
力学性能
水凝胶不仅要求具有良好的溶胀性能 ，而且应具有理想 的力学强度 ,以满足实际的需要。 大多数水凝胶在溶胀状态下呈橡胶态 ，当水凝胶处于橡 胶态时 ,它的力学行为主要依赖于聚合物网络结构 ，在 足够低的温度下 ，这些凝胶失去橡胶弹性而表现为粘弹 性。
力学性能
研究水凝胶力学性能必须很好地掌握橡胶弹性及粘弹性理论 ， 橡胶弹性及粘弹性理论基于链的取向和结构的回复与时间的 关系 ,前者不依赖于时间 ，而后者与时间有关。 通过使用描述力学行为的理论 ，能够分析聚合物的结构 ,测 定交联链间的有效分子量以及阐明弹性活动链交联成环的数 目 ,有时候也必须使用理论外推力学性能以确定所选用的材 料。
应用
日用品 工业用品 农业、土 建 生物医学 领域
日用品
• 水凝胶作为一种高吸水性材料 ，广泛地应用于 香料载体以及纸巾等方面 ，用量不大 ，价格能 为消费者接受 ，目前用在该领域的材料主要是 交联的聚丙烯酸盐及淀粉-丙烯酸接枝聚合物。
工业用品
• 水凝胶可用于油水分离、废水处理、空气过滤、 电线包裹材料、防静电、密封材料、蓄冷剂、 溶剂脱水、金属离子浓集、包装材料等诸多方 面。
药物传输体系
当水凝胶被移植或注射到生物体后 ， 水凝胶能够维持或向体液控制释放包埋 在水凝胶中的药物 ，一般说来 ，有两 种类型的控制释放 ，一种是像凝胶涂 敷物一样释放小分子 ，另一种情况是 含有药物的聚合物基材逐渐分解 ，在 这种情况下 ，药物扩散进入周围环境 ， 由材料的生物降解速率控制。
补齿材料
研究前景
回顾水凝胶 50 多年的发展历程 ,可以看到水凝胶已经被广泛地应用 到医学、生物技术和工农业等诸多方面。 目前 ,有关水凝胶的热点 工作主要集中在以下几个领域 : ①以 P. J . Flory凝胶溶胀理论为基础发展起来的智能型高分子凝胶 材料研究 ; ②天然高分子凝胶材料以及天然高分子与合成高分子共混型凝胶的 研究 ; ③接枝及互穿网络 ( IPNs) 型高分子凝胶的研究等。
合成材料 合成高分子水凝 胶和天然高分子 水凝胶。天然高 分子优点具有更 好的生物相容性、 对环境的敏感性 以及丰富的来源、 低廉的价格 ， 但缺点是天然高 分子材料稳定性 较差 ,易降解
水凝胶的网络键合 分为物理凝胶和化学凝 胶。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， 又称胶有物理交联和化学交联两种。
• 物理交联通过物理作用力如静电作用、离子相互作用、氢键、 链的缠绕等形成。 • 化学交联是在聚合物水溶液中添加交联剂 ，如在PVA 水溶液中 加入戊二醛可发生醇醛缩合反应从而使 PVA 交联成网络聚合物 水凝胶。 • 从聚合物出发合成水凝胶的最好方法是辐射交联法 ，所谓辐射 交联是指辐照聚合物使主链线性分子之间通过化学键相连接。
单体聚合并交联
制备
聚合物交联
载体的接枝共聚
单体聚合并交联
• 合成水凝胶的单体很多 ,大致分为中性、酸性、碱性 3 种。水凝 胶可以由一种或多种单体采用电离辐射、紫外照射或化学引发 聚合并交联而得。 一般来说 ，在形成水凝胶过程中需要加入少 量的交联剂。 • Nogao ka等在不使用交联剂的情况下通过辐射引发使单体在水 溶液中交联合成聚 N-异丙基丙烯酰胺水凝胶 ，这种方法操作简 单 ，交联度可通过改变单体浓度及辐射条件来控制 ，无任何添 加成分 ，不会污染产品 ,可以一步完成产品的制备及消毒。 与 传统方法相比 ，合成的凝胶更均匀 ，更有利于其性质的研究及 生产更方便。