水凝膠的低溶脹性能及其應用

李凌 白亞莉

國家知識產權局專利局專利審查協(xié)作北京中心

水凝膠是一類極為親水的三維網絡結構凝膠。它能迅速吸水溶脹而不在水中溶解，當與水結合時，水凝膠通常能夠顯現(xiàn)出高度溶脹，這種情況對某些應用來說是非常有用的，例如嬰兒的尿布、成人衛(wèi)生用品、止血劑和農業(yè)用蓄水或營養(yǎng)物質的凝膠。但是，某些醫(yī)療應用，不允許高度溶脹。例如，可吸收明膠是一種不溶于水的、多孔的、柔軟形式的明膠，作為止血劑施用于出血表面上。但是，它不適用于在脊柱周圍施用，因為在吸收生理液體后可能溶脹并通過在限定骨腔內的壓力造成神經損害;另外，在包括皺紋填充的美容和重建手術應用中，也不期望出現(xiàn)過渡溶脹。

另一方面，水凝膠的力學性能強有力地受到溶脹度的影響，抵抗溶脹的能力能夠幫助水凝膠保持最初的形狀和力學性能，并維持良好的穩(wěn)定性。因此，在有別于高吸水凝膠的另外一個需求的角度，開發(fā)低溶脹度的水凝膠也顯得尤為必要。

1如何定義低溶脹水凝膠

1.1溶脹度的定義

聚合物水凝膠的溶脹度是用來表征聚合物溶脹程度的一個最常用的物理量，溶脹度的表示方法見式（1）：

SR=（Wt-Wi）/Wi（1）

式中的SR為凝膠的溶脹度;“Wt”為溶脹后的凝膠質量;“wi”為溶脹前的凝膠質量。對于一種給定的聚合物在一定條件下其溶脹度可采用以下方法確定：準確稱量一定量的聚合物干凝膠置于蒸餾水、緩沖溶液或飽和食鹽水溶液中，計算不同時間下的聚合物水凝膠溶脹度，當測定的溶脹度不隨時問變化時，此溶脹度即為平衡溶脹度（以下簡稱“溶脹度”）。

1.2低溶脹水凝膠的定義和分類

許多聚合物水凝膠能夠吸收為自身質量的數(shù)倍、數(shù)十倍甚至數(shù)百倍的溶劑，這樣的水凝膠屬于高溶脹水凝膠，例如用于嬰兒尿布和成人衛(wèi)生用品的聚丙烯酸鹽超吸收凝膠;與此相反的，根據(jù)對現(xiàn)有技術的檢索和分析，低溶脹水凝膠的溶脹度定義為低于100%，這顯然與高溶脹水凝膠的溶脹度差別巨大，因而能夠與其明顯區(qū)分開。

以最高不超過100%的溶脹度進行分類，將低溶脹水凝膠分為5類，分別列于表1中。

2如何得到低溶脹水凝膠

2.1影響溶脹度的因素

交聯(lián)聚合物的溶脹過程，實際上是2種相反作用力的平衡過程，一是溶劑力圖滲入網絡內使體積脹大，從而導致三維分子網絡的伸展;另一種作用力是交聯(lián)點之間分子鏈的伸展降低了它們構象熵變，即分子網絡的彈性收縮力力圖使分子網絡收縮，當這2種相反的作用力達到平衡時，溶脹過程也趨于平衡。

對于容易吸水和溶脹的聚合物水凝膠，其溶脹過程符合上述交聯(lián)聚合物溶脹的一般原理，其溶脹度的高低一方面受到內因，即凝膠網絡結構、形態(tài)的影響;另一方面受到外因，即溶劑的pH值、離子強度等的影響。

2.1.1交聯(lián)

對凝膠網絡結構、形態(tài)影響最大的是交聯(lián)，只有通過交聯(lián)才能提供支撐水凝膠足夠力學強度的三維結構;同時，通過強有力的交聯(lián)手段還能夠幫助原本容易吸水的水凝膠提高抵抗溶脹的能力，WEI ZHANG等通過比較N，N一二甲基雙丙烯酰胺交聯(lián)的和未交聯(lián)的納米黏土增強聚丙烯酰胺水凝膠的平衡溶脹度，發(fā)現(xiàn)化學交聯(lián)后的水凝膠的溶脹度遠遠低于未交聯(lián)的水凝膠，這是由于經過共價鍵交聯(lián)的水凝膠網絡變得非常緊密、不均勻且不易變化，而未交聯(lián)的水凝膠的網絡結構松散、均勻且容易改變。

2.1.2溶劑

除受自身結構影響外，溶劑的性質，常見的如酸堿度（pH值）、離子強度等常常能夠影響聚合物水凝膠的溶脹性能，黃榮華等發(fā)現(xiàn)當DH值升至3以上時，殼聚糖/羧甲基殼聚糖水凝膠的溶脹度顯著下降，從800%下降至不到100%，在DH=7時出現(xiàn)最低溶脹度。

Xiaotong Xiang等在去離子水和飽和食鹽水溶液中觀察殼聚糖/聚乙烯醇復合水凝膠的溶脹行為，發(fā)現(xiàn)水凝膠在去離子水中的平衡溶脹度達到175%，但在飽和食鹽水中水凝膠的溶脹度明顯降低，最低溶脹度降至45%，表現(xiàn)出非常強的抵抗溶脹的能力。

2.2控制溶脹度的方法

2.2.1提高水凝膠本身的交聯(lián)密度

貝內特發(fā)現(xiàn)增加水凝膠前體上分枝的數(shù)目和/或減少前體上分枝的分枝長度，會導致交聯(lián)密度的增加。隨著交聯(lián)密度的增加，平衡溶脹度會降低。因此，通過改變水凝膠的交聯(lián)密度可以改變它的溶脹特性;Yuan Zhuang等發(fā)現(xiàn)氯化鈣和抗壞血酸雙交聯(lián)的海藻酸/石墨烯納米凝膠相比氯化鈣單交聯(lián)的納米凝膠具有更穩(wěn)定和緩慢的溶脹行為，不論是在飽和食鹽水還是強堿性溶液（pH一13）中，具有雙交聯(lián)網絡的凝膠樣品溶脹速度和溶脹度均更低，長時間浸泡也能維持原有體積和形態(tài)，原因在于雙交聯(lián)形成的凝膠雙網絡的交聯(lián)密度更高，抑制了凝膠的溶脹。

2.2.2通過增加疏水單體含量增強物理交聯(lián)

張建合等發(fā)現(xiàn)隨著疏水改性聚電解質N正十二烷基聚（4

乙烯吡啶）溴化鹽用量的增加，凝膠的溶脹度呈遞減趨勢，主要是因為疏水改性聚電解質高分子鏈與聚丙烯酸網絡交織互穿、相互纏結，實際上起到了物理交聯(lián)的作用，這種物理交聯(lián)在短程內有較強的相互作用，接近于化學交聯(lián)。

2.2.3改變溶劑的pH值和離子強度

吉靜等考察了溶劑離子強度對明膠異丙基丙烯酰胺水凝膠溶脹性的影響，與飽和食鹽水中相比較，水凝膠在純水中的溶脹度比在氯化鈉水溶液中大的多，且相變區(qū)域比在純水溶液中窄，這是由于過量的鈉離子、氯離子屏蔽了聚合物網絡內的電荷，降低了網絡內外的滲透壓差，因而使溶脹能力明顯降低;同時水凝膠達到平衡溶脹度時的離子強度還取決于溶液的pH值。

3水凝膠的低溶脹性能

對應于第1部分低溶脹水凝膠按溶脹度進行的定義和分類，以下同樣按照溶脹度的不同分別介紹低溶脹水凝膠的研究進展。

3.1負溶脹（即收縮）水凝膠

負溶脹即吸收溶劑后不僅不溶脹，甚至發(fā)生收縮的情況。貝內特…使含有伯胺官能團的三賴氨酸與多分枝聚乙二醇（PEG）親電前體反應，例如當用琥珀酰亞胺戊二酸酯封端的聚乙二醇具有8個分枝，每個分枝的重均分子量為10000時，所得到的水凝膠的溶脹度低至32.7%;補亞忠等利用多官能度的無機物八乙烯基八硅倍半氧烷（POSS）對聚乙二醇（PEG）進行修飾，利用Poss的疏水特性，降低生物醫(yī)用粘接劑的溶脹率。結果表明，當PEG的分子量為10000或20000，POSS的官能度為4時，所得水凝膠溶脹時發(fā)生了收縮，溶脹度分別為-66%和-16%。

3.2零溶脹（基本不溶脹）

零溶脹即吸收溶劑后基本保持原有體積和質量，肉眼觀察不到任何變化：王型利用紫外光引發(fā)法制備得到F 127-D A水凝膠，其是一種聚乙二醇和聚丙二醇的嵌段高分子交聯(lián)網絡，引入可光聚合的丙烯酰氯通過光引發(fā)制備零溶脹水凝膠;并通過試驗證實了其在37℃水溶液中不溶脹的特性，且該不溶脹性不受離子強度和pH的影響。

Penggang Ren制備的Pluronic F127（PE099PP065PE099）二丙烯酸酯納米膠束交聯(lián)的甲基丙烯酸酯化透明質酸水凝膠，當水凝膠中Pluronic F127膠束占比15%（質量分數(shù)），甲基丙烯酸酯化透明質酸占比1.5%（質量分數(shù)）時，該水凝膠在pH-7的磷酸鹽緩沖溶液中基本不溶脹，這種被限制的吸水和體積膨脹說明該凝膠具有緊密交聯(lián)的內部網絡。

x.Luo等考察了二氧化硅增韌聚乙烯醇水凝膠的溶脹度，在杜爾貝科磷酸鹽緩沖溶液中P M0.84（水凝膠的含水量為84%時）水凝膠的溶脹度只有2%，憑借肉眼觀察，PM0.84水凝膠在溶脹前和溶脹后形狀和體積也沒有變化，說明水凝膠在人體生理環(huán)境中力學性能與體外相比同樣不會發(fā)生改變。

3.320%以內的溶脹

20%以內的溶脹即非常輕微的溶脹，肉眼觀察不到明顯的變化。如前所述的貝內制備的水凝膠，當用琥珀酰亞胺戊二酸酯封端的聚乙二醇具有8個分枝，每個分枝的重均分子量為20000時，溶脹度上升到12.3%。候昭升等以聚乙二醇單甲醚為引發(fā)劑，引發(fā)丙交酯、乙交酯開環(huán)聚合制備聚乙二醇聚乙丙交酯二嵌段共聚物，與末端羧基化的多羧基化合物反應，形成的凝膠的溶脹度小于20%，并具有溶液凝膠可逆性能。此外，他還將聚酯改性6臂或8臂聚乙二醇用丙烯酸酯封端，紫外光引發(fā)聚合，形成的凝膠的溶脹度小于10%Askarl等用胺組分和縮水甘油醚組分制備水凝膠組合物，典型的如二一（3氨基丙基）二甘醇和聚乙二醇縮水甘油醚或三羥甲基丙烷三縮水甘油醚反應制備的水凝膠的溶脹度在1.2%～21%之間。

Hong Zhang制備的光交聯(lián)的多支化聚乙二醇聚酯聚合物（HPEGDA）在飽和食鹽水中溶脹，3種水凝膠樣品的溶脹度均不超過20%。當聚乙二醇雙丙烯酸酯：4丁基-a溴化異丁酯=1：8時出現(xiàn)了最低溶脹度12.6%，這對應于該樣品中異常緊密的交聯(lián)網絡結構。

Hongbin Zhang等制備的多支化聚（胺酯）（HPAE）水凝膠分子鏈末端具備36%的碳碳雙鍵，在PBS緩沖溶液中的溶脹度最高達到50.4%（pH=1.2），當pH=6.5時，出現(xiàn)最低溶脹度15.5%。HPAE并非線型聚合物，由于在三維尺寸上的高度枝化，其大分子結構形似球形并且其內部相對缺少彈性，當它們交聯(lián)形成凝膠網絡時，球形的大分子相互緊密連接形成相對壓縮的網絡結構從而限制了水凝膠充分地溶脹，并且在整個溶脹過程中基本保持體積不變。

3.420%-50%的溶脹

20%～50%的溶脹即肉眼可見的輕微溶脹。如前所述補亞忠等制備的水凝膠，當PEG的分子量為40000，POSS的官能度為2.3時，所得水凝膠發(fā)生了溶脹而非收縮，溶脹度約為50%。查光玉將過二羥基寡聚乙二醇的二羥基與馬來酸酐和硫4代蘋果酸在三氟甲磺酸鈧催化的溫和條件下發(fā)生縮聚反應合成的水凝膠前體含有多個巰基和雙鍵，再通過巰烯“點擊”反應形成可注射水凝膠，降解實驗和溶脹實驗結果提示固含量為10%和20%的水凝膠不但機械強度高（模量達69.2kPa），且在磷酸鹽緩沖溶液中溶脹度較低（32%～42%），2周內幾乎沒有明顯降解，適合應用于骨移植或骨增量等方面。

張學盈采用戊二醛為交聯(lián)劑，制備了大豆分離蛋白（sPI）凝膠，在未添加后處理劑丙三醇的條件下，SPI凝膠在8h左右趨于溶脹平衡，其平衡溶脹度為30.33%;增加丙三醇含量至1.5%時，SPI凝膠在6h左右趨于溶脹平衡，平衡溶脹率上升至39.47%。

Kyzas等時采用戊二醛和三聚磷酸鈉交聯(lián)高分子量殼聚糖，在p H大于2時，水凝膠的溶脹度低于50%（43%），繼續(xù)采用丙烯酰胺接枝改性剛才得到的水凝膠微球，溶脹度略有上升至48%;相比于純的殼聚糖凝膠，經過交聯(lián)的殼聚糖的溶脹度大為降低，究其原因在于離子交聯(lián)（三聚磷酸鈉交聯(lián)）造成交聯(lián)密度大為提高。

3.550%-100%的溶脹

50%～100%的溶脹即肉眼明顯可見的少量溶脹。楊黎明等發(fā)現(xiàn)當pH達到4左右時（弱酸性條件），殼聚糖/聚丙烯酸水凝膠中銨離子和羧基通過離子作用形成緊密的聚電解質復合物，因而大大限制了它的溶脹能力，溶脹度在50%～10%之間達到最低。

4低溶脹水凝膠的應用

4.1生物體狹窄部位的填充

組織炎癥或通過手術置人體內的材料的過度溶脹，導致組織狹小部位附近的神經被壓迫，這樣的神經壓迫使患者感到持續(xù)疼痛，嚴重時會導致下肢麻木甚至失去直覺。這樣的生物體狹窄部位一般包括腦、脊椎以及其他周圍神經分布密集的狹小部位。

如果能將植入體內的材料，最常見的是水凝膠，其生物相容性和降解性均適合作為優(yōu)選的材料，控制在可控的溶脹水平，顯然能夠輕而易舉地解決上述問題。如前所述的貝內特“制備的水凝膠，其溶脹行為控制在負溶脹至20%溶脹度范圍內，并且這樣的凝膠可以原位形成，通過選擇是否帶有聚酯部位控制降解性，非常適合施用在限定體積的區(qū)域（例如脊柱或腕管）中，不會壓迫軟組織和骨附近的神經。

針對貝內特制備水凝膠時采用的交聯(lián)劑三賴氨酸價格昂貴，所制得的低溶脹水凝膠呈堿性，植入體內會對活性組織周圍的細胞產生刺激作用的情況，林麗敏等”對上述低溶脹水凝膠進行了改進，采用聚賴氨酸替代三賴氨酸，進一步提高了該類水凝膠的生物相容性，特別適用于腦、脊椎以及周圍神經分布密集的狹小部位。

苑康見等在貝內特的基礎上對親電體多分枝聚乙二醇的結構進行改進，采用具有較長的可降解碳鏈的聚乙二醇類親電體替代多分枝聚乙二醇類親電體，由于引入疏水性強的長碳鏈提高了聚乙二醇類親電體的疏水性，進而有效降低了所得水凝膠的溶脹率，特別適用于顱骨和/或脊柱部位的組織密封劑的制備。

4.2用作傷口閉合的生物醫(yī)用粘接劑

傳統(tǒng)的縫線和吻合器的操作比較復雜，而且他們的使用會對周圍組織造成損傷，最直接的后果是傷口殘余縫合線或者吻合器使用后留下疤痕，為解決這些問題，人們開發(fā)了生物醫(yī)用粘接劑來代替?zhèn)鹘y(tǒng)的縫合線，這類醫(yī)用粘接劑能夠很快閉合傷口，減少傷口的出血和感染幾率，而且不會留下疤痕。然而很多醫(yī)用粘接劑的溶脹度很高，高溶脹的生物醫(yī)用粘接劑在使用中吸收大量的水分，對傷口造成擠壓，最終造成傷口的二次損傷。如前所述補亞忠利用多官能度的POSS對PEG進行修飾，制備的PEG類水凝膠的粘接力高、溶脹性低且能夠支持細胞的生長，克服了傳統(tǒng)PEG水凝膠易溶脹、粘結力不強的缺點。動物皮下埋值進一步證明了這種生物醫(yī)用粘接劑具有良好的組織相容性，在有效封閉傷口的同時還能促進傷口愈合。

如前所述Hong Zhang等制備的光交聯(lián)的多支化聚乙二醇聚酯聚合物（HPEGDA），在水環(huán)境中的低溶脹率使其具有封閉和修復內部組織的巨大潛力，并且HPEGDA凝膠還具有顯著減小的體外細胞毒性。這些獨有的性質使得HPEGDA凝膠適合作為組織工程基質的粘合劑，包括傷口敷料和封閉傷口的醫(yī)用粘接劑。

4.3骨和軟骨的修復材料

對于人造關節(jié)骨和軟骨材料來說，由于要置于生理溶液中，機械性能不能改變，不溶脹或者低溶脹至關重要;此外，如果水凝膠植入人體后溶脹度過大，會對周圍組織造成不必要的擠壓，造成二次傷害。如前所述查光玉將過二羥基寡聚乙二醇的二羥基與馬來酸酐和硫4代蘋果酸在三氟甲磺酸鈧催化的溫和條件下發(fā)生縮聚反應合成水凝膠前體，由此制備的水凝膠不僅具有良好的生物安全性和細胞相容性，還適合成骨細胞的粘附生長和成骨分化，有利于三維荷載的活細胞生長和細胞入侵生長，在骨和軟骨移植方面具有明顯的應用優(yōu)勢。

如前所述Penggang Ren制備的Pluronic F127（PE099PP065PE099）二丙烯酸酯納米膠束交聯(lián)的甲基丙烯酸酯化透明質酸水凝膠由于緊密而強有力的膠束連接，具有優(yōu)異的剛性、韌性和自修復能力。體內試驗表明植入F15H1.5（Pluronic F127膠束占比15%（質量分數(shù)），甲基丙烯酸酯化透明質酸占比1.5%（質量分數(shù)）水凝膠后針對兔喉甲狀軟骨的缺損8周內即能有效促進軟骨的再生。

如前所述x.Luo等利用溶膠凝膠反應和凍融法，通過非常簡單的工藝步驟就得到了力學性能優(yōu)異且溶脹度非常低的二氧化硅/聚乙烯醇復合水凝膠，經測試發(fā)現(xiàn)其力學性能較單一的PVA水凝膠增加了數(shù)倍，當水含量為84%時，PM0.84水凝膠的溶脹度僅為2%，這一性能使得該復合水凝膠非常適合作為人工軟骨使用。

4.4藥物載體

與水凝膠在體外釋放時可自由膨脹不同，藥物在人體內釋放的過程受到溶脹度過大的嚴重影響，因此如何保持水凝膠最初的強度和溶劑保留率是一個亟需解決的問題。如前所述Hongbin Zhang等制備的多支化聚（胺酯）（HPAE）水凝膠，由于HPAE分子獨特的球形結構，限制了水凝膠的溶脹，在相對恒定的體積下表現(xiàn)出p H可控的藥物釋放特性，能夠包埋鹽酸阿霉素（DOX）、5-氟尿嘧啶（5FU）、羥基喜樹堿（HPT）等多種抗癌藥物。

K abir等制備了一種低溶脹瓜爾膠，通過戊二醛的交聯(lián)大幅度降低了瓜爾膠的溶脹度，能夠作為負載結腸類藥物，例如Indo和BuD的載體，同時具備人體內、外均可應用的潛在優(yōu)勢。

4.5微流控芯片

細胞芯片是一種如同芯片大小的微型反應器，不論在二維角度還是三維角度均能培養(yǎng)活的生物細胞，按照是否帶有灌流裝置可以分為2類，常見的如用于靜態(tài)培養(yǎng)的微孔或微陣列細胞芯片。區(qū)別于傳統(tǒng)材料，水凝膠不僅軟彈而且能夠保持濕潤，這與生物體的組織器官的特性非常接近，基于這一特點，當構建細胞芯片時，聚合物水凝膠當仁不讓的成為最合適的材料。然而，如前所述，濕潤的水凝膠常常高度吸液，溶脹度可達數(shù)倍、數(shù)十倍，甚至數(shù)百倍，體積和質量上的巨大變化降低了水凝膠的力學性能，在制造細胞芯片的過程中容易發(fā)生變形和塌縮，無法有效的應用于細胞芯片的成功構建。為解決此問題，需要控制水凝膠的溶脹行為至非常低的程度，如前所述王瑩利用紫外光引發(fā)法制備得到F127-D A（PE099PP065PE099）水凝膠，該水凝膠在3712（體溫）水溶液中不溶脹，且該不溶脹性不受離子強度和p H的影響，采用該不溶脹的水凝膠構建的肝血管微流控芯片，通過肝細胞培養(yǎng)，能夠構建與人體肝臟相似的組織結構，從而模擬部分肝臟功能;將其作為通量篩選平臺，可以用于中國白酒的健康性評價。

5結語

本文從水凝膠的低溶脹行為出發(fā)，基于溶脹度的不同，對低溶脹水凝膠進行了定義和分類，按照溶脹度最高不超過100%，將低溶脹水凝膠分為5類;并詳細介紹了影響溶脹度的因素和控制溶脹度的手段。在后半部分，重點介紹了低溶脹水凝膠的研究進展和其在生物體狹窄部位、傷口閉合的生物醫(yī)用粘接劑、骨和軟骨的修復材料、藥物載體和微流控芯片中的應用。

相對于水凝膠超吸收的高溶脹行為，水凝膠有限可控的低溶脹行為在很長時問內并沒有引起太多的關注和重視。然而，在許多特定的應用領域，例如上文中提及的生物體狹窄部位、傷口閉合的生物醫(yī)用粘接劑、骨和軟骨的修復材料、藥物載體和微流控芯片等，水凝膠的高度溶脹行為不僅無益，反而有害，這促使人們不斷探究降低水凝膠溶脹度的有效方法和手段。但是，低溶脹相比于高溶脹，在原材料的選擇和配比、工藝的設計和調整以及機理的探尋和確定方面難度似乎更大;如何將水凝膠的溶脹度控制在需要的范圍內，同時保證其他性能，例如力學性能、生物相容性不降低甚至還有所提升，更不是一件簡單的事情，還需要人們從更開闊的視野、多角度地進行持續(xù)研發(fā)。