水凝胶简介

第一部分水凝胶简介提纲CrosslinkedPolymerHydrogelSynthesisExpansionofaHydrogelstructureSwellingForcesinHydrogelsSwellingMechanismWaterinHydrogelsHydrogelsPropertiesHydrogelsCharacterizationSummaryCrosslinkedPolymerCrosslinkedPolymers举例接触镜Poly(methylmethacrylate)andpoly(hydroxyethylmethacrylate)arecrosslinkedwithethyleneglycoldimethacrylateHydrogelsynthesisWhilehydrogelsaregenerallypreparedbasedonhydrophilicmonomers,hydrophobicmonomersaresometimesusedinhydrogelspreparationinordertoregulatethepropertiesforspecificapplications.Ingeneral,thethreeintegralpartsofthehydrogelssynthesisaremonomer,initiator,andcrosslinker.Sometimes,diluentareneeded.Thehydrogelspropertiescanbemodulatedbyvaryingthesyntheticfactors,suchasreactionvessel,reactiontime,reactiontemperature,monomertype,typeofcrosslinker,crosslinker-to-monomerratio,monomerconcentration,andtypeandamountofinitiator除单体制备水凝胶之外的其他合成方法原理：水凝胶结构的扩张溶胶转变为凝胶的过程通过物理作用——氢键(聚乙烯醇)、离子键等Monomers,suchasN-isopropylacrylamide,thatcontainhydrophobicgroups,inaqueoussolutions,aggregateatcertaintemperatures,displayingahydrosol/hydrogelstransition.聚丙烯酰胺与聚丙烯酸共混可形成水凝胶，原因是两者之间的官能团相互作用。水溶胶高分子可能与金属离子相互作用形成凝胶天然水溶性高分子如海藻酸、壳聚糖可分别与钙离子、磷酸根形成水凝胶聚阳离子电解质与聚阴离子电解质相互作用也可形成水凝胶，如海藻酸—COOH与壳聚糖—NH2相互作用可形成水凝胶高分子链的聚合是另外一种水凝胶的制备方法例如：琼脂与明胶随着温度的改变存在溶胶-凝胶转变。SwellingForcesinHydrogels两类力的平衡静电排斥+高分子与水的作用力+离子电荷的渗透作用=弹性力水凝胶可以分为非离子型、离子型(阳离子型、阴离子型、两性离子型)与亲水性骨架上修饰疏水基团型非离子型水凝胶,如聚乙烯吡咯烷酮、聚氧化乙烯(聚环氧乙烷)，仅仅存在高分子-水相互作用阳离子型水凝胶在低pH下更易溶胀阴离子型水凝胶在高pH下更易溶胀两性离子型水凝胶在等电点位置不易溶胀对于亲水性骨架上修饰疏水基团的高分子材料，其亲水作用与疏水作用在不同温度下作用不同，因此，在一定温度下这类高分子材料可以形成凝胶。不同种类水凝胶结构有时仅仅一种类型的水凝胶是不能满足需要的，因此需多种水凝胶共混形成合金，例如溶胀性强的水凝胶力学性能差，可以添加力学性能好，但溶胀性差的高分子改性。Swellingmechanism水凝胶的吸水性能与许多因素有关：networkparameters,natureofthesolution,hydrogelstructures(porousorporeless)&dryingtechniques最重要的一个影响因素是交联密度，即交联剂的有效浓度。水进入高分子体系中的过程为两步，第一步:溶剂进入高分子体系中；第二步：高分子链段的运动对于交联密度高的高分子凝胶，溶剂的扩散是第一步的，也是最主要的。Inotherwords,ahighlycrosslinkedhydrogelsbehaveslikeametalmeshwhichallowsaconstantamountofwatertocontinuouslypass.waterinhydrogels水凝胶体系中四种类型的水最外层——自由水，在温和条件下最易被除去间隙水——不能与凝胶的网状结构相结合，但是与分子链有物理作用束缚水——通过水化作用直接结合在分子链表面，是直接构成凝胶的一部分，只有在高温下才能消除半结合水——性能介于束缚水和自由水之间其他层级的水——作为水凝胶自身的一部分，但由于他们远离官能团或电荷中心，结合力较弱水凝胶的表征手段物理结构中不带有气孔的水凝胶为两相，即高分子固体与水；而带有气孔的水凝胶为三相：高分子固体，水，空气每种相结构都对水凝胶的物理性能有影响，如密度、折射率、机械性能。气体对力学强度有负面影响，然而，如果气孔之间彼此相连则水凝胶有利于水的吸收。可形成超吸水性水凝胶（气体含量有30%）。结构表征：FTIR-共聚程度NMR-接枝过程物理结构中不带有气孔的水凝胶为两相，即高分子固体与水；而带有气孔的水凝胶为三相：高分子固体，水，空气每种相结构都对水凝胶的物理性能有影响，如密度、折射率、机械性能。气体对力学强度有负面影响，然而，如果气孔之间彼此相连则水凝胶有利于水的吸收。可形成超吸水性水凝胶（气体含量有30%）。孔隙率、气孔尺寸、尺寸分布对水凝胶的溶胀、力学性能有重要影响。SEM机械性能凝胶的力学稳定性是重要的指标交联密度升高，水凝胶机械性能良好，但是牺牲了吸水性能交联可以分为均相交联与表面交联两种类型均相交联：交联剂能够溶于单体中（bulk-crosslink）表面交联：常在水凝胶形成后或形成过程中，溶解于水溶液中的交联(surface-crosslink)一般的在溶胀状态下，高密度交联的水凝胶中bulk-crosslink显示出脆性，而表面交联则较为toughhydrogelapplications卫生方面1.婴儿尿布2.崩解剂3.药物缓释要求：适当的溶胀能力，溶胀速率快，药物适应性，安全，无毒，长久稳定，纯度高。在胃液中低pH条件下可以发挥功能。农业方面能够吸收含有化肥的液体，抗氧化剂，温度耐受，抗微生物，抗酸雨，土壤耐受性水凝胶材料在医药中的应用1.不产生血栓，可以在医药中应用2.对某种特殊的分子响应，作为生物传感器举几个例子1）聚天冬氨酸水凝胶可以代替聚丙烯酸水凝胶用于医药[27]2）聚天冬氨酸与聚丙烯酸水凝胶合金具有pH相应，离子相应的特点，因此可以在生物领域中有相关应用[28]3）羧甲基纤维素钠与羟乙基纤维素钠在二乙烯基砜作用下形成的合金可以用于水肿条件下的利尿剂[29]4）高碘酸蔗糖交联的壳聚糖可用作伤口敷料[30]参考文献27.ChangCJ,SwiftG(1999)Poly(asparticacid)hydrogel.JMacromolSci–PureApplChemA36(7–8):963–97028.ZhaoY,KangJ,TanTW(2006)Salt-,pH-andtemperature-responsivesemi-interpenetratingpolymernetworkhydrogelbasedonpoly(asparticacid)andpoly(acrylicacid).Polymer47(22):7702–771029.SanninoAetal(2003)Biomedicalapplicationofasuperabsorbenthydrogelforbodywatereliminationinthetreatmentofedemas.JBiomedMaterResA67A(3):1016–102430.PourjavadiA,AghajaniV,GhasemzadehH(2008)Synthesis,characterizationandswellingbehaviorofchitosan–sucroseasanovelfull-polysaccharidesuperabsorbenthydrogel.JApplPolymSci109(4):2648–2655在医药中的应用超级崩解剂——交联的CMC，PVP和starchglycolate[31-33]在药物缓释体系中具有连通气孔的水凝胶具有药物缓释的功效[34例子——在PVA体系中研究抗生素的缓释]例如：京尼平交联的明胶具有好的药物缓释效果，药物分子量越高，缓释效果越差[]生物相容性好的水凝胶，如羟乙基纤维素，羧甲基纤维素钠，透明质酸通碳化二亚胺交联形成的生物相容性&绿色环保的水凝胶材料，瓜尔胶-g-聚丙烯酸钠和硅镁石粘土组成的复合材料用于园艺和农业中。参考文献31.OmidianH,ParkK(2008)Swellingagentsanddevicesinoraldrugdelivery.JDrugDelivSciTechnol18(2):83–9332.OmidianH,ParkK,RoccaJG(2007)Recentdevelopmentsinsuperporoushydrogels.JPharmPharmacol59(3):317–32733.OmidianH,RoccaJG,ParkK(2005)Advancesinsuperporoushydrogels.JControlRelease102(1):3–1234.AbbasiA,EslamianM,RousseauD(2008)Modelingofcaffeinereleasefromcrosslinkedwater-swellablegelatinandgelatin–maltodextrinhydrogels.DrugDeliv15(7):455–46335.BrazelCS,PeppasNA(1999)Mechanismsofsoluteanddrugtransportinrelaxing,swellable,hydrophilicglassypolymers.Polymer40(12):3383–339836.BuonocoreGGetal(2003)Ageneralapproachtodescribetheantimicrobialagentreleasefromhighlyswellablefilmsintendedforfoodpackagingapplications.JControlRelease90(1):97–10737.SanninoAetal(2005)Crosslinkingofcellulosederivativesandhyaluronicacidwithwater-solublecarbodiim-ide.Polymer46(25):11206–1121238.WangWB,ZhengYA,WangAQ(2008)Synthesisandpropertiesofsuperabsorbentcompositesbasedonnatu-ralguargumandattapulgite.PolymAdvTechnol19(12):1852–185939.ShimomuraT,NambaT(1994)Preparationandapplicationofhigh-per