水凝膠的應用與研究進展

1、環(huán)球聚氨酯網(wǎng)60PU Technology P U 技 術水凝膠的應用與研究進展王萃萃 楊偉平 許戈文安徽大學化學化工學院,安徽省綠色高分子材料重點實驗室,合肥, 230039水凝膠是一類具有親水基團,能被水溶脹但不溶 于水的具有三維網(wǎng)絡結構的聚合物。它在水中能夠吸 收大量的水分顯著溶脹,并在顯著溶脹之后能夠繼續(xù) 保持其原有結構而不被溶解。它能夠感知外界刺激的 微小變化,如溫度、pH值、離子強度、電場、磁場 等,并能夠對刺激發(fā)生敏感性的響應,常通過體積的 溶脹或收縮來實現(xiàn)。水凝膠的這一特點使它在生物醫(yī) 學領域、記憶元件開關、生物酶的固定、農業(yè)中的保 水抗旱等方面有廣泛的應用前景 1。聚氨酯(P

2、U具有良好的生物相容性和優(yōu)良的物理 機械性能,對人體具有良好的生理可接受性,并且可 以保持長期人體植入的穩(wěn)定性 2-3,通過改變分子鏈 中軟硬段的組成可以改變聚氨酯的物理化學性能。由PU聚合物制備所得的PU水凝膠綜合了水凝膠和 PU兩者的優(yōu)點,引起人們很大的研究興趣,并已經(jīng)在 生物醫(yī)學領域中得到良好的應用。本文主要介紹水凝 膠的應用與研究進展,側重介紹聚氨酯水凝膠的應用 研究。1、水凝膠的應用1.1 在生物醫(yī)學領域中的應用 1.1.1 創(chuàng)傷敷料水凝膠材料直接用于與人體組織接觸,可防止體 外微生物的感染,有效的防止體液的損失,并且能 夠傳輸氧分到傷口,一般說來能促進傷口的愈合。 現(xiàn)已投入市場形成

3、商品化。在中歐,注冊商標為HDR 或AQUA2GEL的水凝膠燒傷敷料,銷售前景看好,這 種產品是通過輻射法制備的 4。這種敷料也可制成噴 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,加速傷口的愈合。摘 要:水凝膠是一類具有廣泛應用前景的高分 子材料,本文主要敘述了水凝膠在生物醫(yī)學、記憶元 件開關、生物酶的固定、農業(yè)中的保水抗旱等領域的 應用及研究進展,側重介紹了聚氨酯水凝膠的應用研 究,簡要介紹了水凝膠在國內外研究狀況,最后對其 發(fā)展趨勢作了展望。關鍵詞:水凝膠;聚氨酯;應用;進展 Addison等 5人研制的聚氨酯創(chuàng)傷敷料由兩層結構組 成,一層是親水性聚氨酯泡沫

4、材料,另一層是聚氨酯 水凝膠。水凝膠層覆壓于泡沫層上,兩者之間通過粘 合劑或輻射交聯(lián)反應的方法結合。在這種聚氨酯敷料 中,PU泡沫層與傷口直接接觸,PU水凝膠層起著對PU 泡沫的支撐及連接作用。類似的產品還有Avitar公司 生產的HydrasorbPU敷料以及Tyco公司的Hydrofoam 敷料。Hajek M等 6用藻酸鈣纖維制成Sorbalgon水凝 膠,該敷料與傷口滲液接觸后形成光滑的凝膠體,可 有效清創(chuàng)且使傷口表面的細胞殘屑、細菌、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 中的鈉離子結合形成凝膠的同時將鈣離子釋放,傷口 表面鈣離子的大量集結可加速創(chuàng)面止血,促進創(chuàng)面愈

5、 合。1.1.2 藥物釋放載體近年來,全世界大力開發(fā)能將最低藥物量長時間 地維持在患部的藥物傳送系統(tǒng)(DDS。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,從而發(fā)揮療效。Miyata 等 7制備了抗原-抗體敏感性水凝膠,該凝膠的溶脹 行為可響應自由兔抗原rabbit IgG濃度的變化,且該 凝膠具有專一的抗原識別性,只響應兔抗原的濃度變 化,對羊抗原無響應性。Halliday等 8以PEO、二異氰 酸酯及小分子多元醇為原料合成了用于口腔給藥的聚 氨酯水凝膠載體,在含藥物成分的溶液中形成自粘性 載藥凝膠,可以直接粘附于口腔潰瘍面等患處給藥。 Lee Do

6、o-Hyun等 9研制了具有兩性分子結構的用于藥 物載體的PU水凝膠,先將異佛爾酮二異氰酸酯(IPDI與二羥甲基丙酸(DMPA反應生成預聚物,然后與聚丁 二醇(PBG進行擴鏈反應,再與甲基丙烯酸二羥乙酯 (HEMA反應,引入可反應的乙烯基基團,希望載人的 藥物如核黃素或消炎痛等溶解于所得的離聚物水溶液 中,得到載藥水凝膠。1.1.3 角膜接觸眼鏡角膜接觸鏡是一種精致的眼科醫(yī)療工具,具有矯 正視力和追求美觀的作用,其透氣性和生物適應性 是設計及改進接觸鏡的重點課題。采用水凝膠材料 制造的角膜接觸鏡具有配戴舒適、透氧性好及可輔2010年7月 總第98期61助治療眼疾等優(yōu)點,成為主要的角膜接觸鏡制造

7、材 料。Haschke L等 9人用聚乙二醇和聚丙二醇與4,4-亞甲基雙環(huán)己基二異氰酸酯(H12MDI、異佛爾酮二 異氰酸酯制備了用于接觸眼鏡的非離子型聚氨酯水 凝膠,所用擴鏈劑為乙二醇(EG,交聯(lián)劑為三羥甲 基丙烷(TMP及聚氧化丙烯醚三醇(Pluracol 726, Mn=2900。PPG引入到PEG軟段中,減少了PEG鏈段的 對稱性,降低了結晶程度,異氰酸酯采用H12MDI和 IPDI的混合物,由于IPDI具有不對稱的結構,同樣也 減小了硬段的結晶性,從而提高了水凝膠的溶脹性和 含水率,并具有足夠的透明度。另外由于擴鏈劑和交 聯(lián)劑的存在,使水凝膠的機械性能得到了提升。此外,水凝膠還可用于

8、制造人造皮膚、生物傳感 器等。1.2 在形狀記憶材料上的應用形狀記憶材料是指能夠感知環(huán)境變化(如溫度、 力、電磁、溶劑等的刺激,并響應這種變化,對其 狀態(tài)參數(shù)(如形狀、位置、應變等進行調整的材料 10。形狀記憶材料種類很多,包括形狀記憶合金、 非金屬形狀記憶材料和形狀記憶高分子等。其中,形 狀記憶高分子具有可恢復形變量大、使用面廣、價格 便宜等特點,自20世紀80年代以來發(fā)展迅速,并日益 受到廣泛重視。水凝膠是形狀記憶高分子中的一類, 利用水凝膠的體積膨脹和收縮特性合成形狀記憶型水 凝膠是水凝膠領域的新發(fā)展方向。Li等 11-12利用互穿 網(wǎng)絡技術合成了多種具有形狀記憶效應的水凝膠。這 些水凝

9、膠由兩部分構成:控制單元和基體單元?？刂?單元對外界刺激能產生響應,而基體單元則主要提供 支持作用。通過在凝膠化過程中預先設置各種圖案, 使合成的水凝膠在發(fā)生響應時能呈現(xiàn)出各種不同的形 狀。當外界刺激去除時,又能恢復至原樣,從而表現(xiàn) 出記憶行為。同其它記憶材料相比,形狀記憶水凝膠 能夠對多種刺激發(fā)生響應,且響應幅度大 13。1.3 在生物酶的固定上的應用酶的固定化是用固體材料將酶束縛或限制于一定 區(qū)域內,仍能進行其特有的催化反應、并可回收及重 復使用的一類技術 14。游離酶由于不穩(wěn)定和易變性等 缺點,使它們難以在工業(yè)中得到更為廣泛的應用。此 外,分離和提純酶以及它們的一次性使用也大大增加 其作

10、為催化劑的成本。正是在這種背景下,固定化酶 的概念和技術得以提出和發(fā)展,酶的固定化技術使上 述缺點得以克服。其中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,使其已成為固定 化酶的一種理想包埋載體 15。根據(jù)優(yōu)化結果,張傳梅等 16等制備出了聚丙烯酰 胺/2-甲基丙烯酸羥基乙酯 P(AM-co-HEMA和聚N -異丙基丙烯酰胺/2-甲基丙烯酸羥基乙酯P(NIPAM-co-HEMA兩種載體材料,并用其包埋-胰凝乳蛋白 酶,利用載體材料的溫敏性,分別在一定溫度范圍內 連續(xù)控制和調節(jié)兩種固定化酶連續(xù)催化8次后,發(fā)現(xiàn) 固定化酶活力并沒有明顯下降。這種溫度敏感型水凝 膠固定酶的方法可以避免

11、對酶的活力造成傷害,并且 還提高了酶的穩(wěn)定性和重復使用率。這也為進一步開 發(fā)性能優(yōu)良的固定化酶,研究其酶促反應提供必要的 實驗依據(jù)和理論基礎。1.4 在保水抗旱上的應用保水抗旱水凝膠作為一種高效抗旱保水劑能在較 短時間內吸收超越自身重量幾百甚至上千倍的水,并 且能緩慢的釋放出來?？梢苑磸褪褂?具有優(yōu)良的保 水抗旱性能,歐、美、日本、以色列等國家,早已開 始大面積應用,解決農業(yè)缺水問題,確定了其抗旱保 水良好效果,顯示出在農業(yè)生產中的巨大作用。農業(yè) 保水抗旱水凝膠主要用途為:用作農用土壤保水劑, 可節(jié)約水資源,減少灌溉;用作農膜防霧劑,可提高 透光率;用作種子涂覆劑,可提高出芽率;吸收農 藥、化

12、肥后,具有控釋放作用,能提高藥效;用作苗 木移載,可提高成活率,適用于遠距離輸送樹苗;此 項目成功開發(fā)建設將大大促進農業(yè)發(fā)展。2、水凝膠的研究進展水凝膠所具有的優(yōu)異性能已經(jīng)并還在引起人們的 廣泛興趣,使其研究與開發(fā)、生產與銷售得到長期發(fā) 展。然而,隨著水凝膠應用領域的擴展而對其性能提 出了更高要求,研制和開發(fā)性能更為優(yōu)良的高分子水 凝膠材料已成為目前的研究熱點,其中環(huán)境敏感性高 分子水凝膠材料、超強吸水高分子水凝膠材料的吸液 速率、耐鹽性和凝膠強度的提高則得到人們的廣泛關 注。2.1 pH敏感水凝膠的研究進展1980年,Tanaka 17首次報道陳化后的丙烯酰胺 凝膠具有pH值敏感性,引起了人

13、們極大的興趣,隨后 有關pH值敏感性水凝膠的報道越來越多。這類水凝膠 的溶脹或去溶脹是隨pH值的變化而發(fā)生變化的。一般 來說,具有pH響應性的水凝膠都是通過交聯(lián)而形成大 分子網(wǎng)絡,網(wǎng)絡中含有酸性或堿性基團,隨著介質pH 值、離子強度改變,這些基團發(fā)生電離,導致網(wǎng)絡內 大分子鏈段間氫鍵的解離,引起不連續(xù)的溶脹體積變 化。pH敏感性高分子水凝膠材料在細胞分離、固定化 酶、控制釋放藥物及靶向藥物等領域的應用研究日益 活躍,并顯示出較好的應用前景。其用于酶等生物活 性分子固定化時,可通過控制條件而實現(xiàn)均相反應和 異相分離的有效統(tǒng)一,而當用于藥物控制釋放研究時 則又可隨相變而用于不同場合,這將使其在生物

14、活性PU Technology P U 技 術分子及生物醫(yī)用高分子研究中具有重要意義 18。在pH 敏感性水凝膠中經(jīng)常加入一些酶,來改變水凝膠局部 微小環(huán)境的pH,如葡萄糖氧化酶,能將葡萄糖轉化為 葡萄糖酸而降低局部的pH值,從而影響pH敏感性水凝 膠的膨脹。pH敏感性水凝膠可以被包封到膠囊或硅樹 脂基質中來調節(jié)藥物的釋放,在硅樹脂基質體系中, PAA和PEO形成半IPN,不同的水溶性和分配性質的模 型藥物(包括水楊酰胺、煙酰胺、可樂定和潑尼松龍 等的釋放模式均與水凝膠的膨脹有關:在pH=12時, 網(wǎng)絡的膨脹率低,藥物的釋放有限;當pH=6.8時,網(wǎng) 絡離子化,膨脹率高,藥物釋放 19-20。

15、另外,pH敏感性水凝膠還被用于制備生物傳感器 和滲透開關。但是pH敏感性水凝膠所固有的局限性在 于其不具有生物降解性,使用后需從體內取出,在口 服給藥中,其非生物降解性并不成問題,但在植入給 藥系統(tǒng)或植入型生物傳感器中較為嚴重。因此,需要 開發(fā)可生物降解性的pH敏感性聚合肽類、蛋白質和聚 糖類水凝膠 21。2.2 溫度敏感性水凝膠的研究進展1984年Tanaka 22報道了聚N-異丙基丙烯酰胺 (PNIPAAm水凝膠具有溫敏性特征,在低溫下溶脹, 在高溫下收縮,其特點是存在一個溫度轉變區(qū)域低 臨界相變溫度或低臨界溶解溫度(LCST,當水凝膠在 低于這一溫度時凝膠溶脹,超過該溫度則體積迅速收 縮

16、。此后,關于溫敏水凝膠的報道日漸增多,但主要 集中在聚N-異丙基丙烯酰胺類水凝膠。在NIPAAm中加入其他單體,如甲基丙烯酸丁酯 (BMA形成共聚物,可以調整其最低臨界溶解溫度, 進而改善材料的一些性能。如在NIPAAm中加入疏水 性的BMA可以增加凝膠的機械強度,用這種水凝膠使 吲哚美辛在低溫時釋藥,高溫時停止釋藥。通過調整 甲基丙烯酸烷基酯的長度,可以調整表面的收縮。而 且,研究表明高分子基質中的藥物在關閉狀態(tài)時,即 使沒有藥物釋放,也從內部擴散到表面,重新形成較 高的藥物濃度梯度。張先正等 23使用AAm與NIPAAm共 聚合成了具有快速溫度敏感的水凝膠親水單體AAm的 加入提高了整個凝

17、膠網(wǎng)絡的親水/疏水比,其與水分 子形成的氫鍵數(shù)目增加,需要較多能量才能破壞這些 氫鍵,故可通過改變AAm含量來提高水凝膠的較低臨 界溶解溫度LCST。許多研究表明,有些水凝膠的溶脹比隨溫度的升 高而增加,反之則降低,表現(xiàn)為熱脹性。這種特性對 于水凝膠的應用,尤其在藥物的控制釋放領域的應用 有重要意義。王昌華等 24報道的經(jīng)共價交聯(lián)的聚丙 烯酰胺存放一段時間,在42%丙酮-水混合溶劑中,隨 溫度升高,在25附近溶脹比發(fā)生突變,并增至約1O 倍。但是溫度敏感性水凝膠NIPAAm及其衍生物的臨床 應用也有其本身的局限性。如合成水凝膠的單體和交 聯(lián)物不具有生物相容性,即可能具有毒性、致癌性、 致畸性;

18、而且NIPAAm及其衍生物不能生物降解。因 此,在用于臨床前,還需要進行大量的毒理學實驗, 并進一步開發(fā)新型生物相容性、生物可降解性水凝 膠。2.3 其他類型水凝膠的研究進展2.3.1 電場敏感性水凝膠目前利用電場敏感性水凝膠控制藥物釋放的研究 尚處于起步階段。電場敏感性水凝膠的優(yōu)點在于藥物 釋放速度可以通過調整電場強度來控制,簡單方便; 缺點在于對電場變化的響應慢、需要可控制的電場提 供裝置,而且大多數(shù)電場敏感性水凝膠需要在沒有電 解質的條件下發(fā)揮作用,而在生理條件下,不容易達 到要求。2.3.2 光敏感性水凝膠光敏感性水凝膠分為紫外光敏感性水凝膠和可見 光敏感性水凝膠兩種,其中可見光廉價、

19、安全、易于 操縱。紫外光敏感性水凝膠可以通過含有二(4-二甲 氨基苯基甲烷氰化物的聚合物網(wǎng)狀結構制得。三苯 基甲烷無色氰化物在紫外線的照射下電離,在恒定的 溫度下,凝膠產生不連續(xù)性膨脹;撤去紫外光,凝膠 收縮。含有光敏發(fā)色團的PNIAAm水凝膠具有可見光敏 感性。在光照下,發(fā)色團吸光而使局部溫度上升,從 而引起熱敏性水凝膠PNIAAm體積收縮的相轉變,溫度 的升高與光的強度和發(fā)色團的濃度有關。3、國內外水凝膠發(fā)展概況3.1 國外水凝膠研究狀況凝膠劑在國外起步早,發(fā)展快。英國藥典 1993年已收載了水楊酸膽堿牙用凝膠、利多卡因凝 膠、利多卡因洗必泰復方凝膠等五種外用凝膠。美 國藥典XX版(199

20、5年收載有苯唑因凝膠、氫氧化 鋁凝膠等30余種,水凝膠劑是近年來在國際醫(yī)藥界備 受關注,發(fā)展較快的一種藥物劑型 25。3.2 國內水凝膠研究狀況我國正處在水凝膠劑發(fā)展、提高階段。早先主要 作為醫(yī)院制劑,近幾年各種水凝膠劑都已上市,由于 其使用方便、細膩而無油膩感而被廣大患者接受。中 藥水凝膠劑尚處于起步階段,中藥單體水凝膠制劑的 開發(fā)發(fā)展迅速,但中藥復方水凝膠制劑 26發(fā)展緩慢, 其主要原因是由于中藥制備工藝粗放,成分復雜,往 往多種成分共同發(fā)揮治療作用,通常不提取單一純 品,且用藥劑量一般較大,故一時難以借用某些先進 的新劑型。4、結束語環(huán)球聚氨酯網(wǎng) 622010年7月 總第98期63制了其

21、實際應用,因此圍繞凝膠材料性能的改善還有 大量工作要做。此外,目前有關智能型高分子凝膠的 理論還很不完善,凝膠溶脹的理論模型的研究尚處于 發(fā)展階段,如能在理論方面取得突破,將對這一領域 的發(fā)展帶來重大指導意義?？傊?高分子水凝膠材料 的合成與應用研究還有許多技術難題尚待解決,相信 隨著對其研究的進一步深入,技術難題會很快得到突 破。水凝膠是一種迅速發(fā)展的新型功能高分子材料。 對其環(huán)境敏感性行為的研究、發(fā)展和應用具有不可估 量的前途。尤其是智能型高分子水凝膠這種對外界環(huán) 境變化能自動感知并能作出響應變化的特點,使其具 有一系列傳統(tǒng)材料所沒有的突出性能,這類材料在分 子器件、調光材料、生物醫(yī)學等高

22、新技術領域將會獲 得廣泛應用,尤其是在藥物控制釋放領域。然而,大 多數(shù)凝膠材料響應時間太長,力學性能有待改善等限 參考文獻1Knuth Ketal.親水凝膠控釋給藥系統(tǒng) J.國外醫(yī)學藥學 分冊, 1994, 21(5:297-300.2山西省化工研究所編 . 聚氨酯彈性體手冊 M.北京 :化 學工業(yè)出版社, 2001:106.3Rosiak J M, Ulanski P, Rzeznicki A. Hydrogels for biomedical purposes. Nuclear Instruments and Methods in Physics Research B, 1995, 105

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