水凝膠

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更新時間: 2013-09-05

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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,將水分子連接在網狀內部,而疏水殘基遇水膨脹的交聯聚合物。

水凝膠 -概述
水凝膠水凝膠
水凝膠是一類具有三維網路結構的聚合物,在水中能夠吸收大量水分而溶脹,並在溶脹之後能夠繼續保持其原有結構而不被溶解。水凝膠這個詞最早出現於1960年,當時是由捷克的Wicherle和Lim研製的聚強乙基丙烯酸甲酯。它本身是硬的高聚物,但它吸收水分后就變成具有彈性的凝膠,故稱水凝膠。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,日常生活中的果凍、隱形眼鏡等,都屬於水凝膠製品。

水凝膠 -性質分類

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。

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

根據水凝膠對外界刺激的響應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響應過程中其溶脹行為有顯著的變化,利用這種刺激響應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。

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。

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水凝膠 -應用領域
水凝膠水凝膠製成的軟性角膜
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,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,不同的應用領域應該選用不同的高分子原料,以滿足不同的需求。
日用品
水凝膠作為一種高吸水性材料,廣泛地應用於婦女衛生巾、尿布、生理衛生用品、香料載體以及紙巾等方面,用量不大,價格能為消費者接受,目前用在該領域的材料主要是交聯的聚丙烯酸鹽及澱粉2丙烯酸接枝聚合物。
工業用品
水凝膠可用於油水分離、廢水處理、空氣過濾、電線包裹材料、防靜電、密封材料、蓄冷劑、溶劑脫水、金屬離子濃集、包裝材料等諸多方面。比如,用做包裝材料,當運輸和貯存可能會受潮和本身可能會溢流的貨物時,可用含高吸水性水凝膠的複合材料包裝,以保證貨物安全。高吸水性凝膠與無紡布和薄膜組合,可加工成不同結構吸液襯裡材料,用以包裝肉類食品,使商品能保持清潔外觀,取食時包裝袋中不存液體。
農業土建
水凝膠材料可用在農用薄膜、農業園藝用保水材料、污泥固化、泥水添加劑、牆壁頂棚材料等方面。綠化沙漠是高吸水性水凝膠材料極有潛力的用途之一,可通過製成保水劑的方式實施。以高吸水性凝膠為主要成分,加入粘土和水製成保水劑,再和農用的土摻在一起就可很好保存土壤中的水分,埃及正在推進一項利用該技術綠化沙漠的宏大工程。
生物醫學
燒傷塗敷物:水凝膠材料直接用於與人體組織接觸,可防止體外微生物的感染,抑制體液的損失,傳輸氧到傷口,一般說來能促進傷口的癒合。在中歐,註冊商標為HDR或AQUA2GEL的水凝膠燒傷塗敷物,銷售前景看好,這種產品是通過輻射法製備的。這種塗敷物也可製成噴霧液、乳液或膏狀,一些消炎藥物也可包埋其中,透過凝膠緩慢地釋到受傷部位,加速傷口的癒合。
 
藥物傳輸體系:當水凝膠被移植或注射到生物體后,水凝膠能夠維持或向體液控制釋放包埋在水凝膠中的藥物,一般說來,有兩種類型的控制釋放,一種是像凝膠塗敷物一樣釋放小分子,另一種情況是含有藥物的聚合物基材逐漸分解,在這種情況下,藥物擴散進入周圍環境,由材料的生物降解速率控制。有時水凝膠作為膠束裝載藥物,藥物釋放的速率由通過調整交聯度和水凝膠的化學組成實現,特別是智能型水凝膠問世以來,水凝膠在該領域的應用研究更為深入。
 
補齒材料:有一些兩組分或多組分的補齒材料含有HEMA或其他親水型聚合物,這些材料被放在顎槽或牙根部的孔內聚合或交聯,在大多數情況下,這些反應由UV引發。Dybek等通過輻射手段將PVA和明膠交聯製備了補齒材料。

移植:PVA是第一個被廣泛使用在移植方面的水凝膠。水凝膠已被用做移植乳房、鼻子、面部、缺唇修補、替代耳鼓膜等方面。水凝膠用做人工軟骨、腱以及主動脈接枝不久將被商業化。

隱型眼鏡:隱型眼鏡以PHEMA為基材,加入PVP、PVA、PMAAc、殼聚糖等,用以提高PHEMA的力學性能和增大氧的滲透,由輻射法製備的隱型眼鏡已經在中國上市。此外,當前治療白內障用的眼晶(JOL)是由PMMA或PVA製成的。

生物分子、細胞的固定化:水凝膠固定化的生物分子和細胞在分析、醫學診斷等方面有著廣泛的應用。生物分子和細胞可以固定在水凝膠小球的表面或其內部,然後裝填柱子,這樣的柱子可以用於分離混合物中的特殊生物分子。生物感測器是表面固定了生物分子或細胞的電化學感測器,生物分子一般固定在與生物感測器物理元件相連的水凝膠表面或其內部。

水凝膠 -研究前景
人造軟骨

2012年9月,美國研究人員開發出了高彈性和高韌性的水凝膠,將來有望用於製作人造軟骨等醫療設備。這種高彈性和高韌性的水凝膠,其成分是藻朊酸鹽和聚丙烯醯胺。這兩種物質單獨形成的水凝膠彈性都不大,但如果把它們按一定比例混合起來再加入水,會得到一種新型水凝膠。這種水凝膠中約90%是水,但其彈性超強,可以拉伸到原有長度的20倍以上而不斷,之後還能夠自行恢復原狀。它的韌性也很好,把一塊這樣的水凝膠掰斷,需要耗費的能量與掰斷一塊天然橡膠差不多。可以用來製造人造椎間盤,它的性能足以承受脊椎活動時的拉伸和擠壓。

節能建築

瑞士的研究者利用一種新型水凝膠,發明出一種同樣能「出汗」的屋頂。通過它來給房屋降溫的話,房屋的耗能最多可以減少60%。研究者設計出了一種三明治式的屋頂覆蓋層:表面是薄薄的聚碳酸酯膜,中間夾著一層水凝膠,底下再鋪一層聚氯乙烯薄層。在燦爛的陽光下,新型溫敏性水凝膠中儲存的水分會不斷蒸發,讓屋頂溫度一直維持在35攝氏度。

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