医用高分子水凝胶的设计与合成

医用高分子水凝胶的设计与合成1凝胶的结构和性质定义：gel是指溶胀的三维网状结构高分子，在高聚物间相互连接形成的网状空隙中填充了液体介质.水凝胶：液体介质为水，由水溶性或亲水性高聚物组成.吸水性强，保水性能强,一般压力难以排除.凝胶与功能水凝胶（1）凝胶的分类：A交联键性质化学凝胶：不可逆凝胶，经单体聚合或化学交联大分子通过共价键连接，不溶不熔，结构稳定物理凝胶：可逆凝胶，大分子间通过氢键或范德华力相互连接，外界条件改变，物理链破坏，凝胶重新形成链状分子溶解在溶剂中－溶液如明胶、聚乙烯醇水溶液B凝胶含液量冻胶：含液量90％以上，网络中溶剂不能自由流动，呈现弹性半固体状态干胶：含液量15％，吸收液体膨胀变为冻胶.(2)凝胶形成因素浓度：成胶需要最小浓度，增加浓度加速凝胶.温度：温度低有利于凝胶化.电解质：阴离子起主要作用SO42-,Cl-加速凝胶，I-,SCN-阻滞胶凝.(3)凝胶性质触变性：凝胶与溶胶相互转化的过程外力－流体－外力停止－半固体溶胀性：凝胶吸收液体后自身体积明显增大的现象.第一阶段：溶剂分子钻入凝胶中形成溶剂化层.第二阶段：液体分子继续渗透，凝胶体积大大增加.脱水收缩：溶胀的凝胶于低蒸汽压液体缓慢自动从凝胶中分离出来的现象.是链段间相互作用继续进行的结果.透过性：分子从凝胶孔隙扩散通过的现象.影响因素：溶剂性质：含水的孔道利于水溶性物质通过.溶剂含量：溶剂含量高凝胶溶胀度大，孔径大，利于分子通过.凝胶电荷：对粒子扩散与透过有选择性.2功能水凝胶定义：对温度或环境因素的变化刺激有明确或显著应答的凝胶分类：温敏水凝胶、pH敏水凝胶、盐敏水凝胶、光敏水凝胶、形状记忆水凝胶温敏水凝胶：在水或水溶液中凝胶的溶胀与收缩强烈依赖温度，凝胶体积在某一温区有突变－低临界溶液温度温敏原因：聚合物亲水亲油平衡值－聚合物链结构存在亲水和疏水的平衡聚N－烷基系列凝胶低温溶胀（结合水含量低，游离水含量高）高温收缩－N孤对电子与水分子形成的氢键高温断裂聚N－异丙基丙烯酰胺37℃突然收缩－全部为结合水无游离水凝胶与功能水凝胶溶胀度：一定温度下，单位质量或体积的凝胶所能吸收液体的极限量pH敏水凝胶：聚合物的溶胀与收缩随弧环境的pH、离子强度变化而变化阴离子水凝胶平衡溶胀度随pH增大而增大，阳离子型则随pH增大而降低温敏及pH双重敏感凝胶将pH敏单体和温敏单体通过接枝和嵌段共聚或用互穿网络技术合成的互穿网络水凝胶N,N－二异丙基丙烯酰胺、N,N-二甲基丙烯酰胺、油酸三元共聚物水凝胶医用高分子水凝胶由于直接与生物系统相作用，除需具备一般理化性能要求外，还需满足下述一些特殊性能要求:①水凝胶本身无毒，不致癌、不致崎，不引起人体细胞的突变和不良组织反应;②具有良好的生物或组织相容性，不引起中毒、溶血、凝血、发热和过敏等现象;③具有与人体天然组织相适应的力学性能;④针对不同的使用目的而具有特定的功能。为了合成所需的水凝胶，具有良好生物相容性的一些亲水性聚合物及其与内酯、己内酯的嵌段共聚物、聚乳酸及其共聚物、羟乙基甲基丙烯酸酯均聚物(PHEMA)以及键合有合成高分子支链的天然多糖接枝共聚物等现已被广泛地用于医用水凝胶基质的构建。不同的交联方法包括通过自由基共聚反应、结构互补基团间化学反应进行的化学交联法以及由带相反电荷离子间相互作用、两亲性嵌段共聚物或接枝物疏水缔合、结晶和氢键作用引致的物理交联法则被广泛地用于医用水凝胶的设计与合成。化学交联的设计与合成1.自由甚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。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、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、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。其主要特点是可根据需要将不同敏感或功能特性基团引人到聚合物水凝胶骨架中，同时可方便地调控官能团的密度及水凝胶的交联程度。2.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-OH、-COOH、-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。物理交联的设计与合成1.荷电相反离子间相互作用交联作为一种基于物理交联的设计与合成策略，一些生物相容且可生物降解的水溶性聚电解质特别是多糖类聚电解质与一些带相反电荷无机离子或聚离子之间的相互作用交联(图3)已被成功用于医用多糖基水凝胶的制备。2.两亲性嵌段或接枝共聚物缔合交联两亲性嵌段或接枝共聚物在水中能借疏水缔合作用自组装形成类似于胶束和层状相等有序结构。利用这些原理，设计并制备物理交联型医用水凝胶。3.结晶与分子间氢键作用交联研究发现，将聚乙烯醇(PVA)水溶液进行冻融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。目录总结以及进一步工作设想4研究背景及意义1水凝胶的性能测试32水凝胶的制备第一部分研究背景及意义背景介绍水凝胶是具有三维网络结构的交联聚合物,它能够在水中溶胀至平衡并保持大量水分,而又不溶解于水。水凝胶是一种重要的功能高分子材料,是当前材料科学的研究热点之一。水凝胶的应用创伤敷料药物载体角膜接触眼镜形状记忆材料组织工程支架材料保水抗旱研究意义由于高分子水凝胶具有缓慢释放及毒性小的特点，使其在医药和医疗方面也极具应用价值：软接触眼镜就是高分子水凝胶作为生物医用材料使用最为成功的例子而作为药物控制释放材料或者医用敷料的研究意义重大。作为敷料的优点：吸收能力强，吸收渗液后可形成凝胶，与创面结合良好易于更换，在伤口愈合的过程中，凝胶不会粘连伤口防止伤口感染，低毒甚至没有什么毒性，还可负载各种药物水凝胶的研究现状pH敏感水凝胶温度敏感性水凝胶电场敏感性水凝胶光敏感性水凝胶NVP-HEMA水凝胶研究现状目前NVP-HEMA二元共聚物水凝胶主要用于软性亲水接触镜，其含水量38％～42％，其保湿性和生物相容性、透氧性均不是很理想。课题的提出因此，我们用HEMA和NVP作为单体，BPO为引发剂，N，N´-亚甲基双丙烯酰胺作为交联剂进行共聚合，希望得到的产品同时具备PVP与PHEMA的优异性能。同时我们通过改变反应条件和配方，测定其各种性能，以扩大其使用范围。第二部分水凝胶的制备水凝胶的制备CH2CHCH3COOCH2CH2OHNOCHCH2HEMANVP引发剂：BPOCOOOCOONHNHON,N'-亚甲基双丙烯酰胺交联剂：NVP:HEMA=7:3反应温度：80℃反应时间：24小时或36小时反应环境：N2保护通过改变引发剂BPO和交联剂的用量来改善水凝胶的综合性能，扩展其应用范围第三部分水凝胶的性能测试水凝胶平衡溶胀度的测定水凝胶吸水速率测定水凝胶拉伸强度测定水凝胶性能测试单体转化率测定80。C干燥至衡量泡于蒸馏水中透析足够长时间称其质量m2计算方法：转化率=m2/m1×100%反应完毕后，称取水凝胶的质量m1引发剂用量交联剂用量反应时间转换率1‰024小时44.33%0.1‰60.46%0.3‰69.11%0.5‰66.21%2‰046.16%0.1‰59.07%0.3‰62.62%0.5‰67.95%1‰64.26%3‰048.30%2‰036小时50.94%0.1‰57.25%称取适量水凝胶材料80。C干燥至衡量称其质量m1用蒸馏水浸泡至溶胀平衡称其质量m2计算方法：平衡溶胀度W%=（m2-m1）/m1×100%引发剂用量交联剂用量反应时间平衡溶胀度g/g重复吸水平衡溶胀度g/g1‰024小时7.9910.590.1‰6.686.790.3‰5.515.650.5‰4.894.992‰020.6721.640.1‰9.118.370.3‰6.997.150.5‰4.634.681‰4.204.173‰040.1142.132‰036小时22.6822.250.1‰8.909.29称取一定量的水凝胶材料在800C下干燥至衡量，称其质量m1，然后用蒸馏水浸泡，每隔半小时测定其质量m2，m3，m4等，由此可计算出此水凝胶材料在不同时间段的吸水速率。图1未加交联剂，不同引发剂用量时吸水速率未加交联剂时，吸水速率随着引发剂用量的增加而加快。图2不同引发剂和交联剂时的吸水速率吸水速率随着交联剂用量的增加而降低，随着引发剂的用量增加而增加；当交联剂用量较高时，引发剂用量对吸水速率的影响不大图3不同反应时间对吸水速率的影响反应时间虽然对吸水速率有一定的影响，但对平衡吸水率影响不大。图4BPO1‰不同交联剂的吸水速率和重复吸水速率1-1为未加交联剂吸水速率，1-2为未加交联剂重复吸水速率2-1为交联剂0.1‰重复吸水速率，2-2为交联剂0.1‰吸水速率3-1为交联剂0.3‰重复吸水速率，3-2为交联剂0.3‰吸水速率4-1为交联剂0.5‰重复吸水速率，4-2为交联剂0.5‰吸水速率图5BPO2‰不同交联剂的吸水速率和重复吸水速率1-1为未加交联剂吸水速率1-2为未加交联剂重复吸水速率2-1为交联剂0.1‰吸水速率2-2为交联剂0.1‰重复吸水速率3-1为交联剂0.3‰重复吸水速率3-2为交联剂0.3‰吸水速率4-1为交联剂0.5‰重复吸水速率4-2为交联剂0.5‰吸水速率5-1为交联剂1‰吸水速率5-2为交联剂1‰重复吸水速率图6BPO2‰反应时间36小时的吸水速率和重复吸水速率引发剂用量1‰2‰交联剂用量00.1‰0.3‰0.5‰00.1‰0.3‰0.5‰拉伸强度MPa0.5371.0500.9240.5750.3160.5630.8371.013拉伸强度随着引发剂用量增加而降低，其原因可能是引发剂用量较高时，反应速度较快，但分子量较小，分子链较短，大分子间的缠结作用不强，分子间作用力小，因此拉伸强度较低。第四部分总结及进一步工作设想全文总结本文以HEMA和NVP为单体，BPO为引发剂，N，N’-亚甲基双丙烯酰胺为交联剂进行自由基共聚合，合成了HEMA/NVP二元共聚物水凝胶。并且初步测试合成的水凝胶材料吸水速率，平衡溶胀度，单体转化率，重复吸水速率，重复吸水平衡溶胀度，拉伸强度，大致讨论了引发剂用量，交联剂用量，反应时间对材料性能的影响。进一步工作设想从本实验目前的结果来看，水凝胶的力学性能还不够理想，可以从改变单体比例，加入第三单体，改变反应温度等方面着手，来尝试提高材料的力学性能，改善材料综合使用价值。另外，还可以将目前已有的制作水凝胶的配方用于载药方面的尝试，为以后将其用于医用敷料方面提供一定的参考。