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醫(yī)用高分子材料的優(yōu)缺點(diǎn)范文第1篇

【關(guān)鍵詞】　智能水凝膠　分類(lèi)　理論機(jī)理　應(yīng)用

水凝膠是由高分子的三維網(wǎng)絡(luò)與水組成的多元體系，是自然界中普遍存在的一種物質(zhì)形態(tài)，生物機(jī)體的許多部分(如人體的肌肉、血管、眼球等器官) 都是由水凝膠構(gòu)成的。它是一些高聚物或共聚物吸收大量水分，溶脹交聯(lián)而成的半固體。水凝膠的性質(zhì)不僅與聚合單體和交聯(lián)劑的性質(zhì)以及聚合工藝條件有關(guān)，而且還取決于溶脹時(shí)的條件。根據(jù)水凝膠對(duì)外界刺激的應(yīng)答情況，可分為兩類(lèi)：一類(lèi)是傳統(tǒng)的水凝膠，這類(lèi)水凝膠對(duì)環(huán)境的變化不特別敏感。另一類(lèi)是環(huán)境敏感的水凝膠，這類(lèi)水凝膠在相當(dāng)廣的程度上對(duì)環(huán)境所引起的刺激有不同程度的應(yīng)答，具有智能性。智能水凝膠對(duì)外界微小的物理化學(xué)刺激，如溫度、電場(chǎng)、磁場(chǎng)、光、pH、離子強(qiáng)度、壓力等能夠感知并在響應(yīng)過(guò)程中有顯著的溶脹行為或響應(yīng)性。由于水凝膠的這種智能性，使其在藥物控釋載體、組織工程、活性酶的固定、調(diào)光材料方面具有良好的應(yīng)用前景，另外，在化學(xué)轉(zhuǎn)換器、記憶元件開(kāi)關(guān)、傳感器、人造肌肉、化學(xué)存儲(chǔ)器、分子分離體系等方面也開(kāi)始表現(xiàn)出良好的應(yīng)用前景。近年來(lái)對(duì)它的研究和開(kāi)發(fā)工作異常活躍，成為當(dāng)今研究的熱點(diǎn)。

1　智能水凝膠的分類(lèi)

根據(jù)對(duì)外界刺激的響應(yīng)情況，智能型水凝膠分為：溫度敏感型水凝膠、pH敏感型水凝膠、光敏感型水凝膠、電場(chǎng)敏感型水凝膠、壓力敏感型水凝膠、生物分子敏感型水凝膠等。

1.1 溫度敏感型水凝膠

溫度敏感型水凝膠對(duì)環(huán)境的溫度變化能產(chǎn)生響應(yīng)，即當(dāng)周?chē)h(huán)境溫度發(fā)生變化時(shí)，凝膠自身的性質(zhì)也隨之改變。目前研究較多的是隨溫度變化而發(fā)生體積相轉(zhuǎn)變的水凝膠，可分為高溫收縮和低溫收縮型兩類(lèi)。還有一種是無(wú)體積變化而具有溫致變色的溫度敏感水凝膠。

這種熱敏特性的機(jī)理是凝膠體系中存在著一定的疏水和親水基團(tuán)，它們和水在分子內(nèi)和分子間會(huì)產(chǎn)生相互作用。當(dāng)T < LCST時(shí)， 凝膠溶于水， 凝膠與水之間主要是酞胺基團(tuán)與水分子之間氫鍵的作用，此時(shí)由于氫鍵及范德華力的作用，大分子鏈周?chē)乃肿訉⑿纬梢环N由氫鍵連接的、高度有序化的溶劑殼層。隨溫度上升，凝膠與水相互作用參數(shù)改變，其分子內(nèi)及大分子間的疏水作用加強(qiáng)，形成疏水層，氫鍵被破壞，大分子鏈周?chē)娜軇颖黄茐模谀骋慌R界溫度(LCST)水分子從凝膠中排出，凝膠產(chǎn)生相變，從而表現(xiàn)出溫敏性。此時(shí)高分子由疏松的線團(tuán)結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變?yōu)榫o密的膠粒狀結(jié)構(gòu)，發(fā)生了coil - globule 轉(zhuǎn)變。這種相變是在很窄的溫度范圍內(nèi)發(fā)生的，發(fā)生相變的溫度稱為最低臨界轉(zhuǎn)變溫度（LCST），高于這個(gè)溫度時(shí)溶脹的水凝膠發(fā)生收縮，而低于這個(gè)溫度則再度溶脹。

聚N-異丙基丙烯酰胺（PNIPAM）水凝膠的溫度敏感性相轉(zhuǎn)變是由于交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)的親水性/疏水性平衡受外界條件變化的影響而引起的，是分子鏈構(gòu)象變化的表現(xiàn)。然而，PNIPAM水凝膠存在的一些缺陷也極大的影響了其實(shí)際應(yīng)用。存在的缺陷主要有兩點(diǎn)：第一，響應(yīng)速率慢，第二，機(jī)械強(qiáng)度差。因此近十幾年來(lái)，這一領(lǐng)域的研究主要集中在PNIPAM水凝膠響應(yīng)速率和機(jī)械強(qiáng)度的改善上。提高PNIPAM水凝膠的響應(yīng)速率目前主要有三種方法：1縮小凝膠的體積尺寸，可制成微膠囊，制成納米微粒網(wǎng)絡(luò)。2合成具有孔結(jié)構(gòu)的凝膠。3在凝膠基體中引入接枝鏈。而提高PNIPAM水凝膠機(jī)械強(qiáng)度的方法有：1引入機(jī)械強(qiáng)度高的物質(zhì)作支架。2形成互相貫穿聚合網(wǎng)絡(luò)(IPN)。3與疏水性單體共聚。

自1984年有文獻(xiàn)報(bào)道聚N-異丙酰胺具溫敏性以來(lái)，聚N-異丙酰胺及其衍生物已廣泛用于藥物釋放研究。聚N-異丙酰胺中加入疏水性的甲基丙烯酸丁酯可增強(qiáng)凝膠機(jī)械強(qiáng)度，縮短對(duì)溫度變化響應(yīng)的時(shí)間。用聚N-異丙酰胺水凝膠包載藥物的滴眼劑治療青光眼，降壓時(shí)間比普通制劑持久6倍。將包裹5-氟尿嘧啶的聚N-異丙酰胺水凝膠置透析袋中，釋藥受凝膠和透析膜雙重控制，溫度升高釋藥加快。

抗癌藥置溫敏水凝膠中，用抗體、糖作靶向基團(tuán)運(yùn)至靶區(qū)，并在外部施加物理刺激，可提高載體穩(wěn)定性和靶向效果。溫敏單體與磁性微球共聚，在外加磁場(chǎng)作用下具快速、簡(jiǎn)便的磁分離特性，可用于蛋白、多肽控釋系統(tǒng)。對(duì)注射殼聚糖-β-甘油磷酸水凝膠及加入脂質(zhì)體后的釋藥研究，后者在體溫下快速膠凝。研究鹽酸維拉帕米和硝苯地平在聚丙烯酰胺-瓜爾膠凝膠微球中的釋藥。泊洛沙姆可作為蛋白釋藥載體制備植入劑、納米微球，用物理交聯(lián)制備嵌段共聚水凝膠包埋大分子，透明質(zhì)酸-泊洛沙姆凝膠用于人生長(zhǎng)激素的控制釋放。

近十年來(lái)，以PNIPAM為代表的溫度敏感型水凝膠在理論和應(yīng)用上均引起了人們?cè)絹?lái)越大的興趣。其在應(yīng)用領(lǐng)域的研究有待于進(jìn)一步的開(kāi)發(fā)。隨著有關(guān)研究的深入，相信人們?cè)诓痪玫膶?lái)會(huì)在這一領(lǐng)域取得更大的成就。

1.2 pH敏感型水凝膠

具有pH敏感型的水凝膠是通過(guò)線形聚合物之間交聯(lián)或互穿網(wǎng)絡(luò)而形成體型大分子網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，網(wǎng)絡(luò)中含有可離子化的酸性或堿性基團(tuán)(羧基、磺酸基或氨基) ，隨著介質(zhì)pH值、離子強(qiáng)度改變，這些基團(tuán)會(huì)發(fā)生電離，導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)內(nèi)大分子鏈段間氫鍵的解離，產(chǎn)生不連續(xù)的溶脹體積變化。在一定離子強(qiáng)度下，凝膠內(nèi)外離子濃度差最大時(shí)對(duì)應(yīng)的平衡溶脹度為極大值。這種凝膠溶脹對(duì)離子強(qiáng)度的關(guān)系，可以解釋為在低離子強(qiáng)度下，因抗衡離子難以從溶液進(jìn)人凝膠，所以可電離基團(tuán)的電離度較小，隨離子強(qiáng)度的提高電離度增大，凝膠溶脹加大，最后凝膠離子化達(dá)到最大，這時(shí)離子強(qiáng)度增加時(shí)，會(huì)減少凝膠內(nèi)與溶液間的離子滲透壓，而導(dǎo)致凝膠溶脹減少。根據(jù)敏感性基團(tuán)的不同可分為陰離子、陽(yáng)離子和兩性離子三種類(lèi)型。

pH敏感水凝膠中含酸、堿性基團(tuán)，溶脹、收縮、滲透壓隨pH、離子強(qiáng)度變化，可實(shí)現(xiàn)靶向釋藥。凝膠膨脹度和pH響應(yīng)性可用中性共聚單體如甲基丙烯酸酯、順丁烯二酸酐等調(diào)節(jié)。聚陽(yáng)離子水凝膠在中性pH膨脹小、釋藥少，可用于胃部釋藥及防止味覺(jué)差的藥物在口腔等中性環(huán)境釋放。用甲基丙烯酸甲酯和N，N-二甲氨甲基丙烯酸乙酯共聚水凝膠包載咖啡因，在中性環(huán)境不釋藥，pH3-5呈零級(jí)釋藥。一般聚酸類(lèi)水凝膠在酸性下不解離，膨脹小、釋藥少，可設(shè)計(jì)治療消化性潰瘍藥按pH調(diào)節(jié)釋藥速度。pH敏感水凝膠作為多肽、蛋白載體，保護(hù)藥物在胃、小腸不被降解，在結(jié)腸被微菌群產(chǎn)生的酶如偶氮還原酶、糖酐酶等降解釋藥。聚丙烯酸分子上大量的羧基具親水性，聚丙烯酸或聚甲基丙烯酸與偶氮芳香交聯(lián)的水凝膠在胃內(nèi)膨脹很小，幾乎不釋藥，在小腸內(nèi)羧基電離，膨脹度增大，但偶氮鍵不斷裂，結(jié)腸內(nèi)被偶氮還原酶降解釋藥。降解動(dòng)力學(xué)受凝膠交聯(lián)度影響，膨脹動(dòng)力學(xué)受聚合物組成影響。

pH敏感的多糖凝膠，如藻酸鹽、環(huán)糊精、殼聚糖等作為釋藥載體很有潛力。聚多糖類(lèi)水凝膠由于良好的生物相容性和降解性，在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用倍受關(guān)注。殼聚糖-聚氧乙烯凝膠在酸性更具膨脹性，可用于抗生素如阿莫西林、甲硝噠唑等定位釋藥治療胃部幽門(mén)螺旋菌。Zhang Yongjun 等利用相反電荷聚電解質(zhì)之間的靜電作用，通過(guò)層層組裝制備殼聚糖水凝膠微囊。以二氧化硅 (SiO2) 微粒為核，先在核上依次包裹PAA 和殼聚糖膜，形成多層的PAA-殼聚糖外殼，再選擇性的交聯(lián)殼聚糖，最后將PAA 和SiO2核逐一除去，得到了殼聚糖水凝膠微囊。形成的殼聚糖微囊具有pH敏感性，殼聚糖的交聯(lián)提高了殼層的穩(wěn)定性，微囊壁的交聯(lián)密度對(duì)水凝膠pH敏感程度有重要的影響。

1.3 溫度和PH雙重敏感型水凝膠

由于環(huán)境的復(fù)雜性，近年來(lái)人們對(duì)具有多重敏感性水凝膠的研究越來(lái)越感興趣，這方面的研究主要集中在對(duì)溫度和PH雙重敏感的水凝膠上。

將pH敏感單體和溫度敏感單體通過(guò)接枝、嵌段共聚引入某些酸、堿基團(tuán)或采用互穿網(wǎng)絡(luò)技術(shù)可合成溫度、pH雙重敏感水凝膠，各聚合物鏈有獨(dú)立的敏感性。利用聚丙烯酸的電離性與聚乙烯醇的彈性可制備雙重敏感水凝膠。如將N-異丙酰胺、N-氨基丙基甲基丙烯酰胺分別與N，N’-亞甲基二丙烯酰胺交聯(lián)合成了雙重敏感水凝膠，研究其在不同離子強(qiáng)度、pH中二磺酸奈的釋放，發(fā)現(xiàn)酸性中氨基與二磺酸奈鍵合強(qiáng)，釋藥少，釋藥加快。所形成的水凝膠在pH值為7.4下，溫度為37℃時(shí)發(fā)生相變，胰島素在其中的釋放發(fā)生明顯變化。另外，黃月文等合成了兼具溫度及值敏感性的聚N-異丙基丙烯酞胺-共-丙烯酸水凝膠，并在此水凝膠中包埋抗結(jié)腸癌藥物阿司匹林。研究表明，在PH=7.4的介質(zhì)中，37℃時(shí)阿司匹林在水凝膠膜中的釋放比25℃時(shí)快，而在37℃、PH=7.4的介質(zhì)中，阿司匹林的釋放比PH為1.0的快得多，因此可將阿司匹林大部分定向到腸中釋放。

1.4 光敏感型水凝膠

目前，這類(lèi)水凝膠的合成主要是在溫度或pH敏感型水凝膠中引入對(duì)光敏感的基團(tuán)。導(dǎo)致光敏水凝膠的響應(yīng)機(jī)理有三種：一種是特殊感光分子，當(dāng)有光照射時(shí)，這類(lèi)水凝膠將光能轉(zhuǎn)化成熱能，使材料局部溫度升高，當(dāng)凝膠內(nèi)部溫度達(dá)到熱敏材料的相變溫度時(shí)，發(fā)生體積相轉(zhuǎn)變現(xiàn)象。例如，將吸光產(chǎn)熱分子葉綠素與溫敏水凝膠PNIPA 以共價(jià)鍵結(jié)合，當(dāng)用紫外線照射時(shí)，該凝膠出現(xiàn)相轉(zhuǎn)變現(xiàn)象。另一種是利用光敏分子遇光分解產(chǎn)生的離子來(lái)改變凝膠內(nèi)外的離子濃度差，造成凝膠滲透壓突變，促使凝膠發(fā)生溶脹，從而實(shí)現(xiàn)響應(yīng)性。第3種響應(yīng)機(jī)理是水凝膠材料中引人了發(fā)色基團(tuán)，由于光照，這些發(fā)色團(tuán)的理化性質(zhì)（如偶極矩和幾何結(jié)構(gòu)）發(fā)生變化，導(dǎo)致具有發(fā)色團(tuán)的聚合物鏈的構(gòu)型的變化，從而導(dǎo)致聚合物性能發(fā)生改變。光異構(gòu)化反應(yīng)包括偶氮基團(tuán)等的反式—順式異構(gòu)、無(wú)色三苯基甲烷衍生物的解離等。這些發(fā)色基團(tuán)可位于聚合物骨架，又可作為側(cè)基，甚至可作為交聯(lián)劑。如含對(duì)光敏感的無(wú)色三苯基甲烷氰基的PNIPA水凝膠，當(dāng)無(wú)紫外線時(shí)，水凝膠在30℃出現(xiàn)連續(xù)的體積相變，當(dāng)有紫外線時(shí)，由于氰基的光解離，溫度升至32. 6 ℃時(shí)凝膠的體積突變。

偶氮苯及其衍生物分子是一類(lèi)典型的光致異構(gòu)的分子，含偶氮苯光色基團(tuán)的聚合物可用于光電子器件、記錄存儲(chǔ)介質(zhì)和全息照相等領(lǐng)域，可發(fā)展成為具有廣泛用途的一類(lèi)新穎的先進(jìn)功能材料。陳莉等通過(guò)自由基共聚合方法，將側(cè)鏈含偶氮苯基的丙烯酰胺基偶氮苯單體(AAAB)與丙烯酸(AA)共聚合成了一種新型功能高分子P(AA - co - AAAB)，使聚合物結(jié)構(gòu)內(nèi)在具備偶氮生色團(tuán)的同時(shí)也具有親水性的羧基，這就使得此種高分子具有pH 和光雙重響應(yīng)性能，從而將光響應(yīng)與pH響應(yīng)很好地融為一體，拓寬了其可能的應(yīng)用范圍。

1.5 電敏感型水凝膠

電敏感型水凝膠一般由聚電解質(zhì)高分子構(gòu)成，它在直流電場(chǎng)作用下可發(fā)生形變。其響應(yīng)機(jī)理是溶液中自由離子在電場(chǎng)下的定向移動(dòng)造成凝膠內(nèi)外離子濃度和凝膠內(nèi)部pH的不均勻，從而引起滲透壓和聚電解質(zhì)電離狀態(tài)的變化。絕大多數(shù)電場(chǎng)敏感型凝膠是電致收縮型，網(wǎng)絡(luò)上帶正電荷的凝膠水分從陽(yáng)極放出，否則從陰極放出。研究表明：凝膠的溶脹性能和電響應(yīng)性能受凝膠的單體配比，溶液的離子強(qiáng)度和所施加的電場(chǎng)強(qiáng)度等因素的影響。這里存在一個(gè)臨界壓力，低于臨界壓力凝膠膨脹，高于臨界壓力則凝膠收縮。例如聚丙烯酸/聚乙烯基磺酸共聚物水凝膠(PAAC/PVSA)，在電場(chǎng)中，由于電壓引發(fā)離子運(yùn)動(dòng)，水凝膠的體積發(fā)生明顯的變化，可用于生物傳感器。

為了解決以往電敏水凝膠只能在酸性或堿性條件下發(fā)揮作用，需要較高的電壓和響應(yīng)時(shí)間慢等缺點(diǎn)，Elizabeth A. 等將具有導(dǎo)電性的聚吡咯/碳黑復(fù)合材料加入到丙烯酸/丙烯酰胺水凝膠內(nèi)，其能在低電壓 (1V)、中性溶液中快速 (5s) 做出響應(yīng)。通過(guò)改變丙烯酸的含量、導(dǎo)電性、共混材料濃度和電場(chǎng)強(qiáng)度來(lái)調(diào)節(jié)對(duì)電刺激的響應(yīng)。這種新型電敏凝膠材料有望用于生物微電子機(jī)械系統(tǒng)。

1.6 壓力敏感型水凝膠

水凝膠的壓力敏感性最早是由Marchetti 通過(guò)理論計(jì)算提出來(lái)的，其計(jì)算結(jié)果表明，凝膠在低壓下出現(xiàn)塌陷，在高壓下出現(xiàn)膨脹。

最近鐘興等人研究了壓力對(duì)聚N-正丙基丙烯酰胺（PNIPA）、聚N，N-二乙基丙烯酰胺（PNDEA）及PNIPAAM這3種凝膠溶脹性的影響，認(rèn)為3種凝膠之所以表現(xiàn)出明顯的壓敏性，首先是因?yàn)樗鼈兙哂袦孛粜裕硗膺€因?yàn)槠湎噢D(zhuǎn)變溫度隨壓力而有所升高。所以，當(dāng)溫度不變時(shí)，如果常壓下處于收縮狀態(tài)的凝膠因?yàn)閴毫Φ脑黾佣蛊渌帨囟鹊陀谙噢D(zhuǎn)變溫度的話，凝膠將發(fā)生大幅度的溶脹。

此外，趙春順等以羥丙基甲基纖維素(HPMC)和羧甲基纖維素鋪(CMCNa)為骨架材料，以非諾洛芬(FC)為模型藥物，研究了FC親水凝膠骨架片釋藥機(jī)制的影響因素，發(fā)現(xiàn)壓力對(duì)釋藥機(jī)制影響較大。當(dāng)處方中含有20%淀粉時(shí)，F(xiàn)C骨架片釋藥受壓力影響更為明顯，釋藥速率隨壓力增加而減小。

1.7 生物分子敏感型水凝膠

生物分子敏感型水凝膠能對(duì)特定的生物分子 (如葡萄糖、酶和DNA分子等) 產(chǎn)生響應(yīng)。

例如甲基丙烯酰胺水凝膠是一種用四肽 (CYKC) 作為交聯(lián)劑所得到的對(duì)α-胰凝乳蛋白酶敏感的含有縮氨酸序列的水凝膠。當(dāng)其遇到α-胰凝乳蛋白酶時(shí)，水凝膠上連接的縮氨酸序列發(fā)生分離，引起水凝膠從不溶的三維交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)向可溶的結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變。這項(xiàng)研究有望作為生物傳感器用于蛋白酶-縮氨酸識(shí)別系統(tǒng)。

目前此類(lèi)水凝膠主要用于自動(dòng)調(diào)控胰島素釋放系統(tǒng)，研究較多的是葡萄糖敏感水凝膠。這種水凝膠實(shí)質(zhì)為pH或溫度敏感型材料，但可以通過(guò)感知由生化反應(yīng)造成溶液組分的變化，從而產(chǎn)生如體積相變這樣的響應(yīng)。Joseph Kost等用羥乙基甲基丙烯酸酯(HEMA) 、NDMAEM、TEGDMA 和葡萄糖氧化酶在冷凍狀態(tài)下，輻射交聯(lián)共聚合形成凝膠，此凝膠浸入葡萄糖溶液后，可將葡萄糖氧化為葡萄糖酸，使pH下降，從而導(dǎo)致叔氨基質(zhì)子化而使凝膠溶脹，且溶脹體積隨葡萄糖溶液濃度的增大而增大。

1.8 其他智能水凝膠

如抗原應(yīng)答式水凝膠，凝血酶誘導(dǎo)應(yīng)答式水凝膠，印跡水凝膠等，都具有很好的特異性，具有誘人的醫(yī)藥學(xué)前景。

2　智能水凝膠的理論和機(jī)理

2.1 基本作用力

早期，學(xué)者們提出水凝膠體系的3種基本作用力，它們是橡膠彈力、聚合物間親和力和氫離子間壓力。作用在凝膠上的總壓力就是這3種作用力的合力，被稱為凝膠的滲透壓，它決定著凝膠是趨于吸收液體還是排斥液體。

后來(lái)經(jīng)過(guò)進(jìn)一步的深入研究，人們又把誘導(dǎo)水凝膠體系發(fā)生相轉(zhuǎn)變的分子間相互作用更準(zhǔn)確地歸納為4類(lèi)：疏水作用、范德華力、氫鍵、離子間作用力。

2.2 動(dòng)力學(xué)研究

學(xué)者kato等對(duì)大孔隙水凝膠動(dòng)力學(xué)的研究表明，N-異丙基丙烯酰胺在NaCl溶液中的去膨脹過(guò)程由兩個(gè)因素控制：一個(gè)是氯離子間的斥力，另一個(gè)是鹽析效應(yīng)。

Hirose等對(duì)N-異丙基丙烯酰胺與丙烯酸共聚物水凝膠的體積相轉(zhuǎn)變動(dòng)力學(xué)行為進(jìn)行了細(xì)致的研究，并提出去溶脹過(guò)程由3個(gè)階段構(gòu)成：1均勻收縮階段，水凝膠的尺寸按指數(shù)規(guī)律減小。2平臺(tái)階段，柱狀水凝膠的兩端開(kāi)始收縮而中間部分仍處于膨脹狀態(tài)。3崩坍階段，此時(shí)水凝膠的中間部分亦隨時(shí)間而線性收縮。實(shí)驗(yàn)表明，對(duì)于帶有少量電荷的水凝膠能較好的符合上述過(guò)程。

2.3 水凝膠的敏感性機(jī)理

Tanaka等通過(guò)測(cè)定聚合物鏈的持續(xù)長(zhǎng)度b與有效半徑a之比（即代表聚合物鏈剛性的度量）及敏感性之間的關(guān)系，提出了半經(jīng)驗(yàn)參數(shù)s作為有無(wú)敏感性的判據(jù)：s=（ba）（2f+1），式中f代表單位有效鏈上可離子化基團(tuán)的數(shù)目。他們認(rèn)為s>290時(shí)水凝膠會(huì)發(fā)生敏感性相轉(zhuǎn)變，而當(dāng)s

吳奇等通過(guò)研究微凝膠與表面活性劑的相互作用，提出了與疏水作用不同的新的溶脹和收縮機(jī)理，并認(rèn)為近年來(lái)觀察到的大塊凝膠的所謂非連續(xù)體積變化并不是源于理論上所預(yù)測(cè)的非連續(xù)體積相轉(zhuǎn)變，而是由于內(nèi)部不均勻收縮導(dǎo)致的內(nèi)部應(yīng)力同剪切模量之間的相互作用引起的。

3　智能水凝膠的應(yīng)用

水凝膠具有三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，在水中能夠吸收大量的水分溶脹，并在溶脹后繼續(xù)保持其原有結(jié)構(gòu)而不被溶解。水凝膠類(lèi)似于生命組織材料，表面粘附蛋白質(zhì)及細(xì)胞能力很弱，在與血液、體液及人體組織相接觸時(shí)，表現(xiàn)出良好的生物相容性，它既不影響生命體的代謝過(guò)程，代謝產(chǎn)物又可以通過(guò)水凝膠排出，比其它任何合成生物材料都接近活體組織，在性質(zhì)上類(lèi)似于細(xì)胞外基質(zhì)部分，吸水后可減少對(duì)周?chē)M織的摩擦和機(jī)械作用，顯著改善材料的生物學(xué)性能。因此，水凝膠在生物醫(yī)藥、組織工程等方面得到了廣泛應(yīng)用，如可作為組織填充劑、藥物緩釋劑、酶的包埋、蛋白質(zhì)電泳、接觸眼鏡、人工血漿、人造皮膚、組織工程支架材料等。

3.1 分子器件

利用智能凝膠在外界刺激下的變形、膨脹、收縮時(shí)產(chǎn)生的機(jī)械能，可以實(shí)現(xiàn)化學(xué)能和機(jī)械能的直接轉(zhuǎn)換，從而開(kāi)發(fā)以凝膠為主體的化學(xué)閥、驅(qū)動(dòng)器、傳感器、藥物控釋系統(tǒng)、分子分離系統(tǒng)等微機(jī)械產(chǎn)品。用凝膠制作微機(jī)械元件，由于凝膠柔軟有彈性，且其彈性模量可通過(guò)交聯(lián)密度調(diào)節(jié)，可使微機(jī)械元件的尺寸進(jìn)一步減小，并能保持足夠的驅(qū)動(dòng)力。同時(shí)，由于凝膠尺寸的減小，縮短了控制凝膠收縮與膨脹的擴(kuò)散距離，大大提高了凝膠的響應(yīng)速率。近來(lái)國(guó)外一些科學(xué)家正在探討利用凝膠受環(huán)境變化而變化的特性來(lái)研制凝膠微機(jī)械元件，并已取得了一些重要成果，引起了人們的高度重視，但國(guó)內(nèi)尚未見(jiàn)報(bào)道。

3.2 調(diào)光材料

利用智能型大分子和大分子水凝膠的環(huán)境敏感行為可以設(shè)計(jì)制作調(diào)光材料。它是一種溫度敏感材料，當(dāng)陽(yáng)光照射到凝膠時(shí)，一部分轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮堋Ｋz系統(tǒng)的調(diào)光性賦予了其“開(kāi)關(guān)”溫度TS ，在TS以下凝膠網(wǎng)絡(luò)透明，而當(dāng)溫度升至TS以上則形成散光的微粒。MIT的Suzuki和Tanaka設(shè)計(jì)了一種對(duì)光敏感的PNIPPAM 凝膠。他們?cè)谀z中引入光敏成分葉綠素。光照時(shí)，葉綠素吸收光能使其微環(huán)境溫度升高，凝膠收縮，反之，凝膠溶脹。測(cè)得直徑為5Lm 的凝膠響應(yīng)時(shí)間約為5min。

3.3 生物醫(yī)學(xué)

醫(yī)用高分子材料指的是在醫(yī)學(xué)上使用的高分子材料，是一門(mén)介于現(xiàn)代醫(yī)學(xué)和高分子科學(xué)之間的新興學(xué)科。它涉及到物理學(xué)、化學(xué)、生物化學(xué)、病理學(xué)、醫(yī)學(xué)、輸血學(xué)等多種邊緣學(xué)科，是生物材料的重要組成部分。目前，醫(yī)用高分子材料的應(yīng)用已遍及整個(gè)醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，如血液接觸的高分子材料、組織工程用高分子材料、藥用高分子材料、醫(yī)藥包裝用高分子材料、眼科用高分子材料、醫(yī)用粘合劑和縫合線、醫(yī)療器械用高分子材料等等。

3.3.1 藥物傳輸控制系統(tǒng)

智能水凝膠具有傳遞藥物分子的孔道，對(duì)生理環(huán)境敏感，特別適合作為不溶于水的藥物和易被胃腸酶分解的蛋白類(lèi)藥物的載體。作為這些藥物載體的水凝膠需有良好的生物相容性和生物降解性，在體內(nèi)酶或胃內(nèi)低PH環(huán)境中能夠保護(hù)藥物不被降解。研究較多的是溫敏水凝膠和PH敏感水凝膠。

3.3.1.1 黏膜給藥

黏膜給藥包括眼部黏膜、鼻黏膜、陰道黏膜等部位給藥。黏膜途徑給藥的pH敏感型原位凝膠研究得較多、也較為深入。

用流變學(xué)方法研究殼聚糖硫醇在體外的原位膠凝性質(zhì)。pH5.5條件下，殼聚糖硫醇中巰基數(shù)量明顯減少，表明已形成二硫鍵。所形成凝膠彈性的增強(qiáng)程度與聚合物中巰基的總量顯著相關(guān)，巰基數(shù)量越多，彈性系數(shù)G越大。殼聚糖硫醇化衍生物在5-6.8的PH范圍內(nèi)原位凝膠，可以用于眼部、鼻腔和陰道的黏膜給藥系統(tǒng)。

3.3.1.2 口服給藥

胃腸道PH呈遞增趨勢(shì)，胃液PH為1-3，十二指腸PH為4-5，其余腸段PH為6-8。對(duì)于在胃內(nèi)不穩(wěn)定的藥物，利用胃腸道PH的變化來(lái)開(kāi)發(fā)腸道釋放的劑型尤為重要。

用二縮三乙二醇雙甲基丙烯酸酯 (TEGDMA) 交聯(lián)制得pH 敏感的聚甲基丙烯酸 (PMAA) 水凝膠作為膨脹層，聚羥乙基丙烯酸甲酯 (PHEMA) 作為非膨脹層，將這兩種骨架層交聯(lián)得到一種具有雙層結(jié)構(gòu)并可自折疊的水凝膠微型裝置。再將具有生物粘附性的藥物粘附到非膨脹層的一面用于藥物傳輸。當(dāng)這種微型裝置進(jìn)入體內(nèi)，pH敏感的PMAA層接觸到體液后迅速膨脹，而PHEMA層無(wú)反應(yīng)。由于膨脹層和非膨脹層的區(qū)別，這個(gè)自折疊的裝置發(fā)生彎曲，從而延長(zhǎng)了在靶部位的停留時(shí)間，增強(qiáng)了生物粘附性。另外，非膨脹的PHEMA層可以作為擴(kuò)散屏障，給藥物提供了更好的保護(hù)和減少藥物在腸道中的損失。

聚乙烯醇與丙烯酸或甲基丙烯酸可形成共聚物，其凝膠具有PH敏感性溶脹行為。載有胰島素的凝膠在人工腸液（PH6.8）中釋放藥物，而在人工胃液（PH1.2）中不釋放藥物。到達(dá)小腸之前，載藥凝膠在胃酸環(huán)境中對(duì)藥物胰島素具有保護(hù)作用。凝膠在大鼠體內(nèi)的釋藥行為表明胰島素口服給藥對(duì)控制葡萄糖水平有效。

3.3.1.3注射給藥

將某些pH敏感型凝膠注射于機(jī)體組織后，在PH約7.4的體液環(huán)境中膠凝，形成藥物貯庫(kù)，緩慢持久釋放藥物。

在生物相容性共溶劑系統(tǒng)中制備聚甲基丙烯酸（PMA）和聚乙二醇（PEG）的水不溶性共聚物（IPC）的溶液，IPC溶液在生理PH條件下可轉(zhuǎn)變?yōu)槟z。共溶劑N-甲基吡咯烷酮/乙醇/水的最佳比例為1:1:2，IPC的濃度宜在30%-60%（W/V）。研究表明，該體系可承載、保護(hù)大分子藥物如蛋白質(zhì)和低聚核苷酸，并控制其緩慢釋放。

3.3.1.4 葡萄糖響應(yīng)的胰島素釋藥系統(tǒng)

根據(jù)智能水凝膠對(duì)葡萄糖響應(yīng)設(shè)計(jì)胰島素自調(diào)式釋藥系統(tǒng)一直是研究熱點(diǎn)。正常人體胰島素的釋放受機(jī)體反饋機(jī)制調(diào)節(jié)，維持血糖水平正常范圍，糖尿病患者注射胰島素有時(shí)會(huì)引起低血糖危急生命，目前研究較多的胰島素智能給藥系統(tǒng)主要包括：(1)載有葡萄糖氧化酶的智能水凝膠。(2)載有葡萄糖氧化酶的接枝多孔膜。(3)競(jìng)爭(zhēng)結(jié)合型胰島素釋藥系統(tǒng)。設(shè)計(jì)這一釋藥系統(tǒng)的最大挑戰(zhàn)在于載體對(duì)葡萄糖有高度敏感性和自動(dòng)開(kāi)關(guān)能力，在特定時(shí)間定量釋藥。目前采用的水凝膠仍有不足，如響應(yīng)較慢，或是響應(yīng)后很難較快回到初始狀態(tài)，重現(xiàn)性有待改進(jìn)。

3.3.2 組織工程支架材料

水凝膠應(yīng)用于組織工程支架要求具有生物相容性、生物降解性、高含水量和細(xì)胞膜粘附性等。高度膨脹的三維環(huán)境含有大量的水，類(lèi)似于生物組織環(huán)境，可以促進(jìn)細(xì)胞增殖和細(xì)胞活動(dòng)。

醫(yī)用聚丙烯酰胺水凝膠作為組織充填材料已廣泛用于人體各部位，它是一類(lèi)具有親水基團(tuán)，能被水溶脹但不溶于水的聚合物。水凝膠中的水可使溶于其中的低分子量物質(zhì)從其間滲透擴(kuò)散，具有膜的特性，類(lèi)似于含大量水分的人體組織，具有較好的生物相溶性。而且聚丙烯酰胺水凝膠為大分子物質(zhì)，不吸收、不脫落、不碎裂，在彌散的環(huán)境下能很好保持水分，有較好的粘度、彈性和柔軟度，適合人體組織結(jié)構(gòu)。

3.3.3 人工玻璃體

PVP 水凝膠是第一個(gè)用作病變的玻璃體替代物的合成高聚物。作為一種優(yōu)異的病變玻璃體替代物，PVP水凝膠具有良好的生物相溶性和生物物理光學(xué)特性，其網(wǎng)狀支架對(duì)眼球內(nèi)的新陳代謝成分具有良好的通透性。另外，PVP水凝膠具有粘彈性，表現(xiàn)出良好的內(nèi)填充作用，可以封閉裂孔，展平視網(wǎng)膜。

3.3.4 人工軟骨

PVA 水凝膠的高含水性及其特殊的表面結(jié)構(gòu)與天然軟骨組織非常相似，具有良好的生物相容性和摩擦學(xué)特性，同時(shí)該水凝膠具有類(lèi)似于天然軟骨的多微孔組織，內(nèi)含大量的水，是一種可滲透材料，其彈性模量和人關(guān)節(jié)軟骨相近，有望成為理想的人工軟骨材料。

3.3.5 醫(yī)用敷料

敷料的主要類(lèi)型有兩種：干型，如紗布；濕型，如水凝膠。水凝膠的優(yōu)點(diǎn)是可吸收滲液形成凝膠，且吸收滲液后的凝膠不會(huì)沾粘傷口；可加速上皮細(xì)胞生長(zhǎng)，加速新微血管增生；隔絕細(xì)菌侵犯，抑制細(xì)菌繁殖。目前用水凝膠作創(chuàng)面敷料在美國(guó)、日本及歐洲一些國(guó)家已經(jīng)商品化，但在國(guó)內(nèi)尚屬空白。

用藻酸鈣纖維制成的水凝膠，與傷口滲液接觸后形成光滑的凝膠體，可有效清創(chuàng)且使傷口表面的細(xì)胞殘屑、細(xì)菌、微生物等被包裹、鎖定在凝膠體中，而且在藻酸鈣與傷口滲液中的鈉離子結(jié)合形成凝膠的同時(shí)將鈣離子釋放，傷口表面鈣離子的大量集結(jié)可加速創(chuàng)面止血，促進(jìn)創(chuàng)面愈合。

當(dāng)羧甲基纖維素鈉微粒與創(chuàng)面滲出物作用時(shí)，劇烈膨脹形成一種不與創(chuàng)面粘連的凝膠，該凝膠具有較強(qiáng)的滲液吸收能力和良好的蒸發(fā)性能，并能快速溶解焦痂，清除腐敗組織。

3.3.6 角膜接觸鏡材料

角膜接觸鏡俗稱隱形眼鏡，是一種兼具視力矯正、美容、眼睛防護(hù)和醫(yī)療作用的產(chǎn)品。使用α-甲基丙烯酸β-羥乙酯聚合物( PHEMA) 作為制造角膜接觸鏡的材料。用這種PHEMA 材料制造的水凝膠角膜接觸鏡配戴舒適度比較高，但含水量不高，氧氣通過(guò)性能不好，不能長(zhǎng)時(shí)間配戴。采用親水性能更高的PVP共聚物水凝膠，作為制造角膜接觸鏡的材料，可解決上述問(wèn)題。

3.3.7 組織培養(yǎng)

利用PNIPAM水凝膠的溫敏性可將它接枝于固體表面，通過(guò)調(diào)節(jié)溫度改變固體表面的親水性。在培養(yǎng)皿內(nèi)壁接枝PNIPAM，用此培養(yǎng)皿接枝培養(yǎng)細(xì)胞，成活率較傳統(tǒng)的酶洗脫法高得多。

3.3.8 在分析和醫(yī)學(xué)診斷方面的應(yīng)用

根據(jù)水凝膠的環(huán)境敏感性，可將它與生物傳感器物理元件相連，然后將生物分子固定在水凝膠表面或內(nèi)部，便可得到生物傳感器，用于診斷疾病及做日常監(jiān)測(cè)。例如，利用水凝膠固定抗原，可用于免疫檢測(cè)。

3.3.9 血紅蛋白氧氣載體

血紅蛋白 (Hb) 作為血液代用品，具有高效載氧功能，但天然無(wú)基質(zhì)Hb溶液不能直接作為紅細(xì)胞代用品。目前血紅蛋白氧氣載體 (HBOC) 主要分為化學(xué)修飾Hb、基因重組Hb和包囊Hb。用脂質(zhì)體包封Hb，易導(dǎo)致Hb變性，Hb微膠囊存在快速釋放的缺陷，另外，這些微膠囊沒(méi)有紅細(xì)胞那樣柔軟的外壁，也不能在網(wǎng)狀內(nèi)皮組織系統(tǒng)中快速流動(dòng)。用納米水凝膠微粒包封Hb，具有機(jī)械性能穩(wěn)定，裝填能力高，膨脹收縮可控，質(zhì)地柔軟和在網(wǎng)狀內(nèi)皮組織系統(tǒng)中流動(dòng)快等優(yōu)點(diǎn)。

Jaqunda N. Patton 等報(bào)道了通過(guò)光引發(fā)聚合得到溫敏性PNIPAAM水凝膠納米粒包封牛血紅蛋白 (BHb) 作為氧氣載體，生理溫度變化可引起PNIPAAM水凝膠納米粒膨脹和收縮，對(duì)zeta電位、氧氣親和力和協(xié)同性都有影響。當(dāng)溫度從40℃降至29℃時(shí)，納米粒水凝膠膨脹，減少了氧氣傳輸時(shí)的阻力。AndreF. Palmer 等將BHb與pH敏感的PAAM交聯(lián)合成HBOC。這種pH敏感的HBOC可以靶向的將高效載氧的血紅蛋白運(yùn)輸?shù)接捎谏韕H值下降而引發(fā)低氧狀態(tài)的組織。

3.3.10 水凝膠微透鏡

智能水凝膠微透鏡是一種新型的蛋白質(zhì)檢驗(yàn)方法。聚-異丙基丙烯酰胺-co-丙烯酸(PNIPAM-co-AAC)微凝膠與生物素偶聯(lián)制成動(dòng)態(tài)可調(diào)式生物素化凝膠微透鏡。這種可調(diào)式凝膠微透鏡是通過(guò)靜電作用吸附在氨丙基三甲氧基硅烷化的玻璃基片上制得。研究者將生物素化的凝膠微透鏡與未生物素化的凝膠微透鏡相對(duì)比，發(fā)現(xiàn)特定的蛋白質(zhì)溶液能引起生物素化的凝膠微透鏡平衡膨脹體積變化和折射率的改變，而未生物素化的凝膠微透鏡則對(duì)其不敏感。另外，這些凝膠微透鏡在受到外界刺激時(shí) (如溫度、pH和光子流量)，其光學(xué)性質(zhì)會(huì)發(fā)生相應(yīng)的變化。

3.3.11 用于活性酶的固定

酶的固定化技術(shù)的發(fā)展給酶制劑的應(yīng)用創(chuàng)造了有利條件。與自由酶相比，固定化酶的最顯著的優(yōu)點(diǎn)是在保證酶一定活力的前提下，具有貯存穩(wěn)定性高、分離回收容易、可多次重復(fù)使用、操作連續(xù)及可控、工藝簡(jiǎn)便等一系列優(yōu)點(diǎn)。溫度敏感性水凝膠由于其在臨界溫度附近溶脹度顯著變化的特點(diǎn)，使其已成為固定化酶的一種理想包埋載體。

4　展望

智能型水凝膠在許多應(yīng)用方面具有很大的潛能，如pH敏感和溫度敏感水凝膠可用于靶向藥物的控制釋放，對(duì)特定分子(如葡萄糖、抗原等)響應(yīng)的水凝膠，既可用于生物傳感器也可用于藥物釋放體系，光敏感型、壓力敏感型及電敏感型水凝膠也有用于藥物釋放和生物分離的潛力。

雖然從理論上來(lái)說(shuō)實(shí)現(xiàn)這些應(yīng)用是可行的，但實(shí)際應(yīng)用還要求對(duì)水凝膠的性能進(jìn)行很大的改進(jìn)。所有這些刺激響應(yīng)型水凝膠的最顯著的缺點(diǎn)是它們的響應(yīng)速度太慢，因此制備快速響應(yīng)性水凝膠是智能型水凝膠研究領(lǐng)域的一個(gè)重要課題。實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)的最簡(jiǎn)單的方法是制備較薄和較小的水凝膠，但這種水凝膠往往沒(méi)有足夠的機(jī)械強(qiáng)度以滿足實(shí)際應(yīng)用。另外用于藥物載體的智能型水凝膠還要求有生物相容性和體內(nèi)降解性等，選用更理想的材料設(shè)計(jì)體積小、響應(yīng)快、能依據(jù)人體生理環(huán)境調(diào)節(jié)的水凝膠仍是目前面臨的一大挑戰(zhàn)。凝膠在體內(nèi)的代謝過(guò)程比較復(fù)雜，新材料的釋藥性、安全性需全面考察，凝膠與細(xì)胞黏連、蛋白吸附、生物排異等諸多問(wèn)題亟待解決。

總之，研究開(kāi)發(fā)具有優(yōu)異性能的智能型水凝膠是一個(gè)富有挑戰(zhàn)性的任務(wù)，如果能及時(shí)總結(jié)已有的成果并將其應(yīng)用于未來(lái)的研究中，將低毒性、良好的生物相容性和生物降解性、優(yōu)良的機(jī)械性能和環(huán)境敏感性這幾點(diǎn)完美結(jié)合起來(lái)，制備出新型、綠色的智能水凝膠是我們努力的研究方向。

參 考 文 獻(xiàn)

[1]王守玉，趙替，曹緒芝.智能型凝膠及其應(yīng)用[J].石家莊職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)報(bào).2003.15(6):18-20.

[2]王立君，等.智能水凝膠的發(fā)展現(xiàn)狀[J].合成技術(shù)及應(yīng)用，2007.22(3):43-48.

[3]范會(huì)強(qiáng)等.刺激響應(yīng)性水凝膠的研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)[J].上海化工，2003(06):31-33.

[4]查劉生，劉紫微.生物分子識(shí)別響應(yīng)性水凝膠及其智能給藥系統(tǒng)[J].智能系統(tǒng)學(xué)報(bào)，2007.2(6):38-47.

[5]郭錦棠等.水凝膠及其在藥物控釋體系上的應(yīng)用[J].化學(xué)通報(bào)，2004(3):198-204.

[6]徐文進(jìn)等.溫度敏感型水凝膠[J].現(xiàn)代食品與藥品雜志，2007.17(6):60-62.

[7]劉永等.藥物控釋用智能水凝膠研究進(jìn)展[J].化工進(jìn)展，2008.27(10):1593-1596.

[8]趙玉強(qiáng)等.智能水凝膠的應(yīng)用[J].現(xiàn)代化工，2007.27(3):66-69.