高分子水凝胶简介

水凝胶的简介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目录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定义溶胀收缩行为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。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。性质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。形状大小对外界刺激的响应情况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。分类合成材料水凝胶的网络键合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，又称为真凝胶。单体聚合并交联聚合物交联载体的接枝共聚制备单体聚合并交联•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。•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。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，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。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。日用品工业用品农业、土建生物医学领域应用日用品•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。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。•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、细胞的固定化生物医学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。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。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。研究前景