水凝膠

水凝膠

水凝膠(Hydrogel)是以水為分散介質的凝膠。具有網狀交聯結構的水溶性高分子中引入一部分疏水基團和親水殘基,親水殘基與水分子結合,將水分子連線在網狀內部,而疏水殘基遇水膨脹的交聯聚合物。是一種高分子網路體系,性質柔軟,能保持一定的形狀,能吸收大量的水。

基本信息

研究歷史

美國約翰·霍普金斯大學醫學院報告稱,他們開發出一種新型水凝膠生物材料,在軟骨修復手術中將其注入骨骼小洞,能幫助刺激病人骨髓產生幹細胞,長出新的軟骨。在臨床試驗中,新生軟骨覆蓋率達到86%,術後疼痛也大大減輕。論文發表在2013年1月9日出版的《科學·轉化醫學》上。

埃里希還說,研究小組正在開發下一代移植材料,水凝膠和黏合劑就是其中之一,二者將被整合為一種材料。此外,她們還在研究關節潤滑和減少發炎的技術。

加拿大最新的研究顯示,水凝膠(Hydrogel)不僅有利於幹細胞(Stem cell)移植,也可加速眼睛與神經損傷的修復。研究團隊指出,像果凍般的水凝膠是幹細胞移植的理想介質,可以幫助幹細胞在體記憶體活,修復損傷組織。

中國科學院蘭州化學物理所研究員周峰課題組利用分子工程,設計製備出一種具有雙交聯網路的超高強度水凝膠,大大提高了水凝膠的機械性能。相關研究已發表於《先進材料》。

據國外媒體報導,美國加州大學聖迭戈分校的納米科學工程師日前研發出了一種凝膠,這種凝膠中含有能夠吸附細菌毒素的納米海綿。這 種凝膠有望用於治療抗藥性金黃色葡萄球菌(methicillin-resistant Staphylococcus aureus,MRSA。這種細菌產生了對所有青黴素的抗藥性,常常被稱作“超級細菌”)導致的皮膚和傷口上的感染。在不使用抗生素的情況下,這種“納米 海綿水凝膠”能夠把被抗藥性金黃色葡萄球菌感染的小鼠皮膚上的損傷減小到最小。這項研究日前發表在學術期刊《先進材料》(Advanced Materials)上。

形成原理

水凝膠 水凝膠

凡是水溶性或親水性的高分子,通過一定的化學交聯或物理交聯,都可以形成水凝膠。這些高分子按其來源可分為天然和合成兩大類。天然的親水性高分子包括多糖類(澱粉、纖維素、海藻酸、透明質酸,殼聚糖等)和多肽類(膠原、聚L-賴氨酸、聚L-谷胺酸等)。合成的親水高分子包括醇、 丙烯酸及其衍生物類(聚丙烯酸,聚甲基丙烯酸,聚丙烯醯胺,聚N-聚代丙烯醯胺等)。

不同分類

網路鍵合

水凝膠有各種分類方法,根據水凝膠網路鍵合的不同,可分為物理凝膠和化學凝膠。物理凝膠是通過物理作用力如靜電作用、氫鍵、鏈的纏繞等形成的,這種凝膠是非永久性的,通過加熱凝膠可轉變為溶液,所以也被稱為假凝膠或熱可逆凝膠。許多天然高分子在常溫下呈穩定的凝膠態,如k2型角叉菜膠、瓊脂等;在合成聚合物中,聚乙烯醇(PVA)是一典型的例子,經過冰凍融化處理,可得到在60℃以下穩定的水凝膠。化學凝膠是由化學鍵交聯形成的三維網路聚合物,是永久性的,又稱為真凝膠。

大小形狀

根據水凝膠大小形狀的不同,有巨觀凝膠與微觀凝膠(微球)之分,根據形狀的不同巨觀凝膠又可分為柱狀、多孔海綿狀、纖維狀、膜狀、球狀等,製備的微球有微米級及納米級之分。

外界刺激

根據水凝膠對外界刺激的回響情況可分為傳統的水凝膠和環境敏感的水凝膠兩大類。傳統的水凝膠對環境的變化如溫度或pH等的變化不敏感,而環境敏感的水凝膠是指自身能感知外界環境(如溫度、pH、光、電、壓力等)微小的變化或刺激,並能產生相應的物理結構和化學性質變化甚至突變的一類高分子凝膠。此類凝膠的突出特點是在對環境的回響過程中其溶脹行為有顯著的變化,利用這種刺激回響特性可將其用做感測器、控釋開關等,這是1985年以來研究者最感興趣的課題之一。

合成材料

根據合成材料的不同,水凝膠又分為合成高分子水凝膠和天然高分子水凝膠。天然高分子由於具有更好的生物相容性、對環境的敏感性以及豐富的來源、低廉的價格,因而正在引起越來越多學者的重視。但是天然高分子材料穩定性較差,易降解。

用途

作為一種高吸水高保水材料,水凝膠被廣泛用於多種領域,如:乾旱地區的抗旱,在化妝品中的面膜、退熱貼、鎮痛貼、 農用薄膜、建築中的結露防止劑、調濕劑、石油化工中的堵水調劑,原油或成品油的脫水,在礦業中的抑塵劑,食品中的保鮮劑、增稠劑,醫療中的藥物載體等等。值得注意的是,不同的套用領域應該選用不同的高分子原料,以滿足不同的需求。

製法

一種保水凝膠的製法,即先將氫氧化鈉溶於水中,並加入丙烯酸進行預處理;再依次加入玉米澱粉、丙烯醯胺和碳酸鈣,攪拌加溫反應後,加入引發劑進行接枝聚合反應;然後將反應後的液體倒入模具中,恆溫乾燥即可。其產品組分(重量百分比)包括:玉米澱粉4.5-4.7,丙烯酸21.4-22.5,丙烯醯胺9-9.5,過硫酸銨3.2-4.5,碳酸鈣4.5-4.7,氫氧化鈉9.5-9.9,水餘量。有工藝簡單,產品無毒、可生物降解和套用廣闊等優點。

複合水凝膠

人工合成的水凝膠通常存在凝膠強度低、韌性差和吸水速度慢等缺點,無法滿足使用的要求。研究者針對提高水凝膠的力學性能開展了大量的研究工作,開發了幾類具有優異機械性能的新型凝膠,如拓撲型水凝膠、雙網路結構水凝膠、複合水凝膠、大分子微球複合水凝膠、疏水締合凝膠和均一鏈結構水凝膠等,其中複合水凝膠,由於具有高強度、複合手段多樣化而受到廣泛關注 。

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