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來源：互聯網

水凝膠（Hydrogel）指的是聚合物高分子材料在水溶液中通過物理化學鍵合形成的具有三維網絡結構的固體。具有親水基團，是能夠在水中或體液中膨脹卻不溶解的交聯聚合物。

水凝膠根據對外界的響應可分為pH敏感型水凝膠、溫度敏感型（溫敏）水凝膠、光敏感型水凝膠、電敏感型水凝膠和壓力敏感型水凝膠等。應用非常廣泛，從農業到工業添加劑，從藥載體到組織工程支架材料，從生理衛生用品到軟接觸鏡頭，從水處理到紫外吸收材料等。

研究進展

水凝膠的發展是1961年美國農業部北方研究所鉻Rus-sell等從淀粉接枝丙烯腈開始的，隨后日本、德國、法國等對水凝膠的品種、制造方法、性能和應用領域等方面進行了大量的研究，取得了豐富的成果。

20世紀70年代日本開展了以纖維素為原料制造水凝膠的研究。除此之外，日本住友化學公司提出了用丙烯酸與乙酸乙烯共聚制取水凝膠的方法；美國Dow公司先用丙烯酸與吲哚-2-丙烯酸乙酯共聚得到聚合物水溶液，再與環氧氯丙烷混合得到膜狀水凝膠，大大改善了聚合物的性能，使合成體系的水凝膠得到了更大的發展。在此期間，日本側重于醫藥衛生材料方面的研究，而美國側重于農、林、園藝方面的研究。

20世紀80年代開始出現由藻酸鹽、蛋白、殼聚糖等天然化合物衍生物經化學反應制取吸水性物質。日本三洋公司首先將水凝膠用于制造餐巾、衛生巾、襁褓、抹布、手巾紙等一次性制品，還用于制造油水分離劑、重金屬吸附劑、滅火劑、食品保鮮劑、干燥劑等。近年來，水凝膠還用于制造人工腎臟的過濾材料、軟接觸眼鏡、人工水晶體、人工肌肉等人工器官。20世紀80年代末，水凝膠已用于從生物中提取酶和制造感覺性材料、外界刺激應答性材料等，甚至還采用水凝膠產生了在常溫下不溶的人工雪。

吸水性復合材料于20世紀80年代產生。由于它能改善水凝膠的耐鹽性、吸水速度、吸水后凝膠的強度等許多性能，所以發展迅速。到了20世紀90年代初，發展更為突飛猛進。近年來已開始研究吸水性有機高分子化合物的共混。這些為發展水凝膠提供了更加廣闊的前景。

美國約翰·霍普金斯大學醫學院在2013年發布報告稱，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干細胞，長出新的軟骨。在臨床試驗中，新生軟骨覆蓋率達到86%，術后疼痛也大大減輕。相關論文發表在2013年1月9日出版的《科學·轉化醫學》上。約翰·霍普金斯大學醫學院轉化組織工程中心（TTEC）主任珍妮弗·埃里希夫說，“水凝膠”支架在愈合過程中能為細胞提供“營養”，促進健康組織生長，加速傷口愈合。她們在實驗室里和山羊身上進行了多年實驗，以尋找最理想的植入材料，最終選定了一種水凝膠生物材料和一種黏合劑，黏合劑用來使水凝膠牢牢地黏在骨骼上。

加拿大最新的研究顯示，水凝膠（Hydrogel）不僅有利于干細胞（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干細胞移植的理想介質，可以幫助干細胞在體內存活，修復損傷組織。

為解決水凝膠材料力學性能差的問題，2015年，中國科學院蘭州化學物理研究所周峰課題組利用分子工程設計制備出了一種具有雙交聯網絡的超高強度水凝膠，該水凝膠具有新穎的共價鍵與配位鍵雙交聯的結構形式，其中的化學交聯形成惰性的水凝膠交聯網絡，接著利用鐵離子—羧酸根的配位鍵作為動態的交聯形式，在受到外界的應力后，可動態地斷裂配位鍵以耗散能量，從而大大提高水凝膠的機械性能。據國外媒體報道，美國加州大學圣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。這種凝膠有望用于治療抗藥性金黃色葡萄球菌（methicillin-resistant Staphylococcus aureus，耐甲氧西林金黃色葡萄球菌。這種細菌產生了對所有芐青霉素的抗藥性，常常被稱作“耳念珠菌”）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。在制造這種納米海綿水凝膠的時候，科學家把納米海綿與水凝膠混合到一起。納米海綿是一種納米顆粒，能夠吸附抗藥性金黃色葡萄球菌、大腸桿菌和其它對抗生素產生抗藥性的細菌分泌出的危險的毒素，水凝膠是由水和多聚物組成的一種凝膠。在這種納米海綿水凝膠中，水凝膠能夠把納米海綿控制保留在感染的部位，吸附掉細菌毒素。

理化性質

水凝膠的理化性質受凝膠結構、分子結構、交聯程度、水的含量、水的狀態等的影響。

生物相容性

生物相容性是生物材料與人體之間相互作用產生各種復雜反應的概念，水凝膠的生物相容性研究開始于20世紀60年代。研究學者們通過向實驗體體內注射水凝膠，用于治療骨關節損傷等，未出現炎癥反應等，證實了水凝膠良好的生物相容性。

生物降解性

生物可降解材料是指通過與生物學環境相互作用，經一系列反應后，材料可逐漸降解成單體或低分子量化合物的材料。醫用植介入治療和體內藥物輸送是目前醫療領域的重點關注，是前沿醫療技術之一，但是介入材料的排異和藥物輸送系統的難代謝等帶來嚴重的安全問題。水凝膠作為生物相容性良好的材料，通過改性或復合手段可制得具有生物降解性的高性能水凝膠，多項實驗證明水凝膠具有生物降解性且無炎癥發生，證實其在植介入和藥物輸送有巨大的應用潛力。

高吸水、保水性

水凝膠存在交聯網絡，因此可以溶脹和保有大量水，水的吸收量與交聯度密切相關（交聯度越高，吸水量越低），這一特性很像一種軟組織。水凝膠中的水含量可以低到百分之幾，也可以高達99%，其聚集態既非完全的固體也非完全的液體。用水凝膠制作的醫用敷料在吸收傷口滲出液的同時保持濕潤環境，不會造成與傷口粘連帶來二次創傷，且水凝膠吸液量大，不用頻繁更換。另外，水凝膠表面光滑且有高彈性，用作敷料時，能與傷口緊密貼合不粘連，減少細菌接觸，是目前最新進的醫用敷料。

形成原理

水凝膠（Hydrogel）指的是聚合物高分子材料在水溶液中通過物理化學鍵合形成的具有三維網絡結構的固體。固體的行為是一定條件下可維持一定的形狀與體積，液體行為是溶質可以從水凝膠中擴散或滲透。凡是水溶性或親水性的有機高分子化合物，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（淀粉、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丙烯酸及其衍生物類（聚丙烯酸，聚甲基丙烯酸，聚丙烯酰胺，聚N-聚代丙烯酰胺等）。

根據交聯點作用力的不同可將其分為物理交聯和化學交聯。物理交聯水凝膠一般是通過分子鏈間的靜電作用、氫鍵作用、疏水作用、結晶等相互作用力形成的，形成過程無須加入催化劑且沒有副產物，因此凝膠的生物相容性較好。例如，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?；瘜W交聯水凝膠的交聯點的作用力為化學鍵，涉及化學反應過程中催化劑、反應條件以及副產物的毒性問題。制備化學交聯型水凝膠通常采用以下幾種方法:自由基聚合法、有機高分子化合物官能團反應法、高能輻射交聯法、酶催化交聯法等。物理水凝膠是可逆的，化學水凝膠是永久的，其構型的變化是不可逆的。

不同分類

按來源分類

水凝膠可分為天然高分子水凝膠和合成高分子水凝膠。

按電荷性質分類

根據交聯鏈中是否存在電荷，水凝膠可以分為中性/非離子水凝膠、離子水凝膠和兩性水凝膠三大類。其中的區別在于骨架或者側基上有無電荷，中性或非離子水凝膠沒有電荷。非離子水凝膠的例子包括聚丙烯酰胺(PAAm)、聚甲基丙希酸羥乙酯(5)、聚乙烯醇(PVA)和聚乙二醇(PEG)。離子水凝膠可以分為陽離子(帶正電荷)水凝膠和陰離子(帶負電荷)水凝膠。離子水凝膠的溶脹受水性介質的pH控制，它決定了離子鏈的解離程度。骨架中含有正電荷的陽離子水凝膠，在酸性介質中表現出優異的溶脹性，因為它們在低pH下有利于鏈解離。用于合成陽離子水凝膠的單體實例包括乙烯基吡啶、甲基丙烯酸氨基乙、甲基丙烯酸二乙氨基乙酯和甲基丙烯酸二二甲氨基乙酯(0)。陰離子水凝膠的骨架中帶有負電荷，其在較高的pH下更容易解離，因此在中性至堿性溶液中表現出優異的溶脹性。陰離子水凝膠單體的例子包括丙烯酸(AA)、雙才藝烯磺酸、衣康酸、巴豆酸、順丁烯二酸和甲基丙烯酸等。兩性水凝膠指的是在同一聚合物鏈上帶有正電荷和負電荷，這些水凝膠在每個結構重復單元中都同時含有陽離子和陰離子基團。pH的輕微變化可以改變這種類型水凝膠的整體離子特性。N-異丙基丙烯酰胺/{[3(甲基丙烯氨基)丙基]二甲基(3-磺丙基)氫氧化)水凝膠是用于合成兩性水凝膠單體的一個例子。

根據水凝膠對外界刺激應答的不同分類

水凝膠又可分為傳統水凝膠和環境敏感水凝膠。

應用

作為一種高吸水高保水材料，水凝膠被廣泛用于多種領域，如：干旱地區的抗旱，在化妝品中的面膜、退熱貼、鎮痛貼、農用薄膜、建筑中的結露防止劑、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有機高分子化合物原料，以滿足不同的需求。

醫學領域

（1）藥物緩釋：水凝膠能延緩藥物釋放，有利于在人體內部精準用藥，所以近年來，許多研究者在大力研發能夠將藥物更長時間地保持在患者傷口的藥物傳送系統。水凝膠在口服、鼻腔、直腸、眼部、口腔等藥物途徑都有巨大的研發潛力。

（2）傷口敷料：目前在臨床上使用的敷料大多是傳統敷料（紗布）等。水凝膠敷料是新近開發的，具有良好的品質和運用前景而可望在以后獲得廣泛使用的新型敷料。

（3）組織工程：人類由于疾病、外傷、事故等原因可能會導致身體失去某些組織、器官、功能，可通過移植各種替代物來支撐，修復身體功能。在尋求更好的、更合適的身體替代物過程中，組織工程的方法孕育而生。Zmora和Glicklis等(2002)制備出具有多孔海綿結構相互貫通的海藻酸鹽水凝膠，它可以作為肝細胞組織工程的三維支架材料，可增強肝細胞的聚集性，從而為提高肝細胞的活性以及合成纖維蛋白能力提供了良好的環境。

(4)活性酶的固定：活性酶的固化技術的發展促進酶制劑的應用的發展?；钚悦概c自由酶相比，其最顯著的優點是在保證酶擁有一定活力下，具有儲存穩定性高、分離容易回收、多次重復使用、操作可控及連續等一系列優點。溫度敏感型水凝膠由于其在臨界溫度附近溶脹度變化明顯的特點，使其成為固定化酶的一種理想的包埋載體。

(5)角膜接觸鏡：水凝膠的應用是非常廣泛的，在生活中無處不見，如許多人常用的角膜接觸鏡，即隱形眼鏡。角膜接觸鏡是一種具有醫療作用兼視力矯正、美容、防護眼鏡的產品。

農業和工業的應用

水凝膠因具有高度膨脹性、高機械強度、黏著性、耐燃性、高化學穩定性等優點，在土木建筑工程中具有廣泛應用。例如，將吸水性良好的水凝膠貼于要澆制的混凝土表面，就可以吸收混凝土中的水分，能有效地減少干燥時間，還能防止表面產生裂紋。

在一些干旱地區，被國外學者稱為保水劑的水凝膠的用處更加顯著，它可以鎖住土壤中的水分，對防止土壤沙化、肥力減退都有很大的作用。保水劑水凝膠可以吸收比自身重千百倍的水，并且能良好地保持水分，緩慢地將水釋放出來。在干旱地區，樹苗澆灌量得不到保障的情況下，保水劑能夠有效地提升樹苗的存活率，減少土地沙化，對綠化事業的推進有重要意義。

水凝膠在工業方面也有廣泛的應用，在生產食物方面，水凝膠可以作為水果或生鮮的保險膜;在重金屬方面，可以作為污水處理劑;在電子產品方面，可以用來制作水分測量傳感器、漏水檢測器和濕度檢測器;在美容產品方面，水凝膠可以用來制作保水面膜、保濕劑。

制備方法

制備水凝膠的方法有兩種：一是物理交聯，二是交聯。物理交聯的水凝膠具有可逆性，制備較容易，但穩定性和力學強度較低。化學交聯水凝膠則是通過不可逆的共價鍵作用（如自由基聚合和點擊化學）構建起持久的三維網絡，因此結構穩定且永久不變。

化學交聯法

化學交聯法是較早提出的成型方法，可以增強水凝膠。通過加入、、、苯二醛、甲醛等固化劑，與分子中的發生醇醛縮合形成交聯點，可使水凝膠的力學強度和硬度大大提高。交聯法方便易行，反應迅速，成型時間短，但是容易產生由于分散不均而導致的交聯結構不完善等問題。另外，這些固化劑都具有生物毒性，尤其是殘留在體系內的未參與反應的固化劑通過一般方法很難除去，植入體內后會滲入周圍組織，引起炎癥反應，這大大降低了化學交聯水凝膠的生物相容性。這些缺點使得化學交聯法制備水凝膠在醫學方面有很大的缺陷，限制了該方法的應用。

物理交聯法

物理交聯法就是通過放射線和紫外光的照射使水凝膠進行交聯的一種方法。聚乙烯醇水凝膠可作為醫用材料，但需要解決的問題主要有含水量高時的力學性能不佳，如何提高彈性模量，又能長久地維護保水性和優良的光學性能，這需要對水凝膠交聯網絡結構、保水的機理有深入的研究，找到微觀結構與宏觀性能的關系。有人利用γ射線輻照的水溶液，再經過兩次脫水一熱處理過程制得了不同結晶度的PVA水凝膠。實驗表明，經過脫水一熱處理過程的PVA水凝膠的機械性能得到了一定程度的加強。