智能水凝胶

智能型水凝胶姓名：张鹏飞概述水凝胶可定义为在水中能够溶胀并保持大量水分而又不能溶解的交联聚合物。亲水的小分子能够在水凝胶中扩散。水凝胶具有优良的理化性质和生物学性质。它除了具有生物粘附、可生物降解和良好的生物相容性外，还具有较高的水渗透性，有一定的强度，表面类似于生物体的软组织，这些特征使水凝胶可作为生物材料。根据水凝胶对外界刺激的响应情况，水凝胶可以分为普通水凝胶和智能水凝胶。普通水凝胶对环境的变化不敏感，即水凝胶的溶胀率不随外界条件的变化而变化。智能水凝胶能感知外界环境的细微的物理化学变化，如pH、温度、压力、电场、磁场、离子强度、紫外光、可见光以及特异化学物质等的变化，并通过体积的溶胀和收缩来响应这些来自外界的刺激。因此也称为环境敏感性水凝胶。智能水凝胶材料一般是天然或合成的高聚物。成为智能水凝胶材料必须具备:高分子主链或侧链上带有大量的亲水基团和有适当的交联网络结构。制备智能水凝胶材料的起始原料可以是单体(水溶或油溶单体)、聚合物(天然或合成聚合物)或者是单体和聚合物的混合物。制备1单体的交联聚合合成水凝胶的单体大致分为中性、酸性、碱性3种,表1列出了部分单体及交联剂。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。Nogaoka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(polyNIPAAm)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。2接枝共聚法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。3聚合物交联从聚合物出发制备水凝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,许多水溶性聚合物可通过辐射法制备水凝胶，如PVA、polyNIPAAm、聚乙烯基吡咯烷酮(PVP)、聚丙烯酸(PAAc)、聚丙烯酰胺(PAAm)、聚氧乙烯(PEO)、聚甲基丙烯酸羟乙酯(PHEMA)等。采用辐射法合成水凝胶无须添加引发剂,产物更纯净。分类这是指能随环境温度变化发生体积突变现象的凝胶。这种凝胶具有一定比例的疏水和亲水基团,温度的变化可影响这些基团的疏水作用以及大分子链间的氢键作用,从而使凝胶结构改变,发生体积变化。例如:在聚N-异丙基丙烯酰胺体系中，-NHCO-为亲水基团，而-CH(CH3)2为疏水基团。1温度响应性水凝胶在外界温度低于临界溶解温度(LCST)时，凝胶网络中高分子链上的亲水基团通过氢键与水分子结合，凝胶吸水溶胀。温度上升时，这种氢键作用减弱，而高分子链中疏水基团间的相互作用加强，凝胶逐渐收缩。温度上升至临界相变温度以上，疏水作用成为主要作用力，高分子链通过疏水作用互相聚集，凝胶发生相变，溶胀率急剧下降。2pH响应性水凝胶这类凝胶中含有大量易水解或质子化的酸、碱基团,如羧基和氨基。这些基团的解离受外界pH的影响:当外界pH变化时,这些基团的解离程度相应改变,造成内外离子浓度改变;另外,这些基团的解离还会破坏凝胶内相应的氢键,使凝胶网络的交联点减少,造成凝胶网络结构发生变化,引起凝胶溶胀。如在聚环乙烷与聚丙烯酸共聚形成的互穿网络凝胶中,两种聚合物之间的作用力为氢键,pH较高时,羧基基团电离为羧酸根负离子,破坏了氢键,两种聚合物分离,从而使该互穿网络凝胶迅速溶胀。3光响应性凝胶光响应性水凝胶是由热敏性材料中引入对光敏感的基团制成的。光敏材料的响应性机理有三种，一种是热敏性材料中的特殊感光分子，将光能转化为热能，使材料局部温度升高，当凝胶内部温度达到热敏性材料的相转变温度时，则凝胶产生响应。例如:N-异丙基丙烯酰胺和光敏性分子合成凝胶，它可借紫外线而电离，引起凝胶溶胀，在32℃时凝胶发生体积相转变，紫外线遮蔽时凝胶可逆地不连续收缩回复。另一种光响应性的机理是利用光敏分子遇光分解产生的离子化作用来实现响应性。这种凝胶见光后，凝胶内部产生大量离子，使凝胶内外离子浓度差改变，造成凝胶渗透压突变，促使凝胶发生溶胀作出光响应。第三种响应机理是水凝胶材料中引入了发色基团，由于光照，这些发色团的理化性质发生变化，因而导致具有发色团的聚合物链的构型的变化，从而导致水凝胶的溶胀性能也发生改变。4压力响应性凝胶水凝胶的压力敏感性最早是由Marchetti通过理论计算提出来的,其计算结果表明,凝胶在低压下出现塌陷,在高压下出现膨胀。Lee等用12%的Bis（N，N-亚甲基双丙烯酰胺）作交联剂制备出的聚N-异丙基丙烯酰胺(PNIPAm)凝胶,证实了上述预测。他们认为,凝胶体积随压力的变化是由于压力对该体系自由能有贡献所致。5生化响应性水凝胶目前此类水凝胶主要用于研究开发自动调控胰岛素释放系统,研究较多的是葡萄糖敏感水凝胶。这种凝胶实质为pH或温度响应性材料,但可以通过感知由生化反应造成溶液组分的变化,而产生如体积相变这样的响应。6盐敏水凝胶盐敏指在外加盐的作用下,凝胶的膨胀比或吸水性发生突跃性变化。盐对凝胶膨胀的影响与其结构有关。这类水凝胶的正负带电基团位于分子链的同一侧基上,并以共价键结合在一起,二者可发生分子内和分子间的缔合作用。小分子盐的加入可屏蔽、破坏大分子链中正负基团的缔合作用,导致分子链舒展,因而,凝胶的膨胀行为得到改善。7电场响应性水凝胶这种水凝胶由聚电解质高分子构成,在直流电场作用下可发生形变,其响应性与溶液中自由离子在直流电场作用下的定向移动有关。原因是自由离子定向移动会造成凝胶内外离子浓度不均,产生渗透压变化引起凝胶变形。再一个原因是自由离子定向移动会造成凝胶中不同部位pH不同,从而影响凝胶中聚电解质电离状态,使凝胶结构发生变化,造成凝胶形变。8磁性响应型水凝胶磁性响应即凝胶的溶胀行为能对外加磁场做出响应。此类凝胶由于它在外加磁场的作用下能简单快速易行的分离特性，在细胞分离、固定化酶、靶向药物等领域可望有宽广的应用前景。性质吸水溶胀是水凝胶的一个重要特征。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。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π。根据Flory凝胶溶胀理论,渗透压π为:1溶胀-收缩行为在上式中V0是溶剂的摩尔体积;R和T分别是气体常数和热力学温度;x是Flory相互作用函数;分别是溶胀前及溶胀平衡时凝胶中高分子的体积分数;Ngel和Nsol分别是凝胶和溶液中离子的总浓度;v是干凝胶中有效高分子链密度。上式称为水凝胶的状态方程,它表达了􀀁􀀁􀀁的关系。可见,水凝胶的溶胀特征与溶质、溶剂的性质、温度、压力及凝胶的交联度有关,渗透压由大分子链-水相互作用(第1项),大分子网络的橡胶弹性(第2项)及聚合物水凝胶内、外离子浓度差(第3项)构成。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。2力学性能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。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(粘弹性行为)。改性进展为了提高水凝胶的响应速度,在传统水凝胶的基础上制备了几种新型水凝胶。1亚微米尺寸凝胶颗粒Fatima等人研究表明水凝胶溶胀或收缩达到平衡所需的时间与水凝胶的线性尺寸的平方呈正比,即τ∝R2/D,其中τ为水凝胶溶胀或去溶胀的特征时间,R为水凝胶的线形尺寸,D为水凝胶的协同扩散系数。据此得出,小的凝胶颗粒响应外界刺激比大凝胶快。1快速响应性水凝胶2大孔及超孔水凝胶凝胶溶胀或收缩过程主要为高分子网络的吸收或释放溶剂,这是一个慢的扩散过程,而且接近临界点时更慢。但对于一个具有相互连接的孔结构的网络来说,溶剂的吸收或释放通过孔由对流产生,这一过程比非孔凝胶中的扩散过程快。并且合成具有孔结构的凝胶,由于有效扩散距离由相邻孔间的距离平均值控制,所以含孔结构的凝胶可加快体积的变化。而多孔凝胶相对于无孔凝胶其溶胀性能有较大提高,孔结构的存在大幅度提高了水凝胶的响应速率,尤其是退胀速率。3具有摇摆链的水凝胶(梳型结构水凝胶)由于摇摆链的一端是自由的,因此具有摇摆链的水凝胶在受到外界刺激时容易坍塌或扩张。在凝胶基体中引入接枝链,从而形成疏水微区,增强凝胶收缩塌陷时网络与水分子之间的排斥作用,具有快的响应速度。2物理交联水凝胶由于交联剂不仅会影响包埋物质的完整性,而且经常是有毒的化合物,因此化学交联水凝胶使用之前必须除去未反应的交联剂。而制备物理交联凝胶则可以避免使用交联剂。物理交联水凝胶的另一个优点是可以原位形成凝胶:物理交联水凝胶在一定条件下是高分子溶液,当条件(如温度、pH等)改变时形成凝胶。因此,物理交联水凝胶可用于制备可注射式药物缓释体系。形成物理交联水凝胶的条件之一是体系中物理交联点的形成,物理交联点的形成可以通过多种方式,如疏水相互作用、结晶作用、氢键作用及蛋白质相互作用等。对于这种物理交联的水凝胶研究较多的如聚乙二醇(PEG)与聚乳酸(PLA)、聚乙二醇与聚对苯二甲酸丁烯酯(PBT)的嵌段共聚物(PEGPBT)。这些水凝胶呈现温度敏感性,当浓度适当时,随环境温度改变,能发生可逆的溶液-凝胶的转变,这类水凝胶不仅可以原位形成凝胶,而且具有低毒(甚至无毒)、易生物降解的优点,特别适用于生物医药、药学等领域。3具有规则构造的水凝胶溶胀的水凝胶通常是无定型的,因此没有特别的分子水平的有序结构,这可能是合成高分子水凝胶缺乏机械强度以及快速响应性的原因之一。生物凝胶通常能形成非常有序的聚集体,从而使得生物器官具有足够的机械强度和灵活的功能,因此合成具有规则构造的水凝胶也是智能型水凝胶改性的一个主要研究方向。一般有两种方法可能在水凝胶中引入有序结构:一种是引入能通过分子间相互作用形成有序结构的分子,如聚电解质凝胶同带相反电荷的表面活性剂之间复合物的形成。另一种方法是通过化学键在水凝胶中引入能自组装的侧基,如含有晶体或液晶侧基的疏水性单体和亲水性单体的共聚。Osada研究小组通过亲水性单体(如丙烯酸)和能形成晶体的疏水性单体(如丙烯酸十八烷基酯、16-丙烯酰基十六烷酸等)共聚,得到了具有分子有序结构的溶胀高分子水凝胶,这些水凝胶随温度、pH或溶剂性质的改变发生可逆的有序-无序转变。水凝胶通过它们的有序-无序或有序-有序转变对外界刺激呈现出非常快速的响应,因此这些水凝胶将是制造人造肌肉的合适材料。特别是具有液晶有序结构的水凝胶,由于其多态现象对不同的外界刺激将呈现不同的响应,因此具有液晶有序结构的水凝胶将是非常合适的人造肌肉材料。由于这种体系能将化学能直接转变为机械的功而不产生热,因此可望获得高的能量转变效率。4互穿聚合物网络(IPN)水凝胶为提高凝胶的机械性能,现已开发了许多新类型的凝胶。在这些工作中许多是倾向于合成有微观相分离形态的高分子,比如嵌段共聚物(其中亲水微区和疏水微区交替出现),这种多微区结构似乎能够满足溶液相容性,且机械性能得到提高。另一种实现这一目标的方法是通过形成互穿聚合物网络来提高水凝胶的机械强度的。IPN是由两种或两种以上聚合物通过网络互穿缠结而形成的一类独特的聚合物共混物或聚合物合金。I