高分子材料水凝膠在化工與醫(yī)藥領域的應用*

王 爽，張昭炯，楊欣鵬，王 蒙，匡海學

（黑龍江中醫(yī)藥大學 教育部北藥基礎與應用研究重點實驗室黑龍江省中藥及天然藥物藥效物質(zhì)基礎研究重點實驗室，黑龍江 哈爾濱 150000）

水凝膠是一種含有親水基團，可在水中溶脹并保存大量水分而不溶解的交聯(lián)聚合物，其主要由高分子聚合物通過化學鍵力或物理結合力相互作用，相互交聯(lián)形成三維網(wǎng)狀結構[1]。水凝膠根據(jù)其制備原料不同可分為合成高分子水凝膠和天然高分子水凝膠，常用于制備水凝膠的高分子材料主要有：殼聚糖、纖維素、黃原膠、蛋白質(zhì)和瓊脂等[2]。水凝膠兼具固體力學和流體力學的性能，加之自身結構具有柔性可塑性強，生物兼容性高等特性使其廣泛應用于化工與醫(yī)藥領域。本文主要從水凝膠材料在化工與醫(yī)藥兩大領域的應用進行詳細闡述，為水凝膠材料在化工與醫(yī)藥領域的應用與發(fā)展提供參考。

1 在化工領域的應用

1.1 水凝膠在無機化工方面的應用

1.1.1 水凝膠在工業(yè)廢水處理方面的應用 工業(yè)廢水中含有大量有機污染物和重金屬難以通過常規(guī)方法去除，而水凝膠材料的出現(xiàn)使這一問題得到轉機。車春波等[3]采用表面接枝共聚法制備納米纖維素/丙烯酸水凝膠并對其行進表征與機制探討。結果顯示，納米纖維素/丙烯酸水凝膠熱穩(wěn)定性強、溶脹能力好，對亞甲基藍的吸附符合Langmuir 等溫吸附模型且吸附動力學符合準二級動力學。譚陽等[4]以角蛋白為原料制備溫敏型雙網(wǎng)絡角蛋白/PNIPAM 水凝膠，并對其吸附性進行研究。研究發(fā)現(xiàn)，角蛋白/PNIPAM 水凝膠主要以化學吸附形式對重金屬進行吸附,在吸附重金屬Pb（II）過程中僅用30min 即可達到吸附平衡，最大吸附容量為415.73mg·g-1。Yue等[5]將廢棄塑料制備成兩性塑料水凝膠，在酸性和堿性條件下對陽離子和陰離子都具有良好的吸附性能，最大吸附容量為85.15mg·g-1。此外，該水凝膠還可將Cr（VI）還原成Cr（III），Cr（III）進一步通過配位作用和陽離子交換進行吸附，這將為工廠廢水處理和重金屬污染的治理指明了新方向。

1.1.2 水凝膠在土壤保護方面的應用 水凝膠具有高分子主鏈和親水性官能團形成的三維網(wǎng)絡結構，可作為土壤改良劑用來吸附土壤中的重金屬從而減少重金屬對土壤的損害。Shan 等[6]以纖維素、半纖維素和木質(zhì)素為原料制備出了一種新型吸附水凝膠，并對其性能進行表征。結果表明，該水凝膠主要通過離子交換自發(fā)產(chǎn)生吸附作用去除土壤中的銅，并且這一過程符合吸附動力學方程。張肖靜等[7]制備的殼聚糖-聚乙烯醇復合水凝膠對土壤中總砷的去除總量為3.480mg·g-1，對總砷的解析率為64.1%～77.0%，這表明殼聚糖-聚乙烯醇水凝膠可有效去除土壤中的砷，對土壤具有修復和保護作用。

1.1.3 水凝膠在海水淡化方面的應用 淡水資源的獲取一直是研究熱點，水凝膠因其具有獨特的三維網(wǎng)狀結構，可與其它材料結合發(fā)揮更顯著的作用而備受關注。李心等[8]設計并制備了由太陽光吸收體和高分子材料組成的具有制造成本低、可回收、穩(wěn)定性好的一種新型復合水凝膠，該復合水凝膠可以充分利用太陽光，提高海水淡化效率，從而達到淡化海水的作用。Zhang 等[9]采用溶膠-凝膠轉變和熱冰模板法合成了一種含有微通道結構供水層和納米多孔吸光層的雙層水凝膠凈化裝置。該裝置顯示出了優(yōu)異的抗離子能力、耐高/低pH 值能力以及對重金屬和有機染料的優(yōu)異凈化性能，這種水凝膠凈化裝置為海水淡化開辟了新的途經(jīng)。

1.2 水凝膠在有機化工方面的應用

1.2.1 水凝膠在油田開采方面的應用 油田的開采過程中由于水的存在常導致采油率降低，為提高采油率，以水凝膠為油田封堵材料引起了廣泛關注。王雷等[10]研制出一種兩性水凝膠，該水凝膠由羧基化石墨烯GO 和兩性離子基團進行修飾，在水凝膠體系中引入兩性離子聚合物使其抗鹽度和抗高溫性質(zhì)顯著提高并展現(xiàn)出優(yōu)異的封堵性能，封堵率達93.8%。劉國寶等[11]制備出一種具有耐高溫、抗鹽性、穩(wěn)定性、封堵性能好的水凝膠體系，這種水凝膠的封堵率高達98.35%，突破壓力高達5.860MPa，能夠在稠油油藏調(diào)堵作業(yè)中發(fā)揮重要作用。

1.2.2 水凝膠在燃料電池方面的應用 現(xiàn)有的燃料電池需要質(zhì)子交換膜及燃料儲存供應系統(tǒng)，這限制了電池的性能，而高分子材料水凝膠的出現(xiàn)使這一情況得到改善。Kirubaharan 等[12]制備了一種自組裝水凝膠，并對該水凝膠進行了分析。結果顯示，該水凝膠可增加生物電極的化學活性和輸出率，提高電池性能的同時也為生物電化學系統(tǒng)性能的優(yōu)化提供了方向。邢楷等[13]采用循環(huán)凍融法制備聚乙烯醇水凝膠，利用水凝膠保水性和導電性，將水凝膠作為燃料電池固態(tài)電解質(zhì)使燃料/電解液一體化，實現(xiàn)微型燃料電池便攜化，從而改善燃料電池性能。

1.2.3 水凝膠在煤礦阻燃方面的應用 水凝膠因其具有獨特的三維網(wǎng)狀結構，具有高吸水性、高保水性的特點，在煤礦開采中起到阻燃的作用。張俊朋等[14]采用水溶液聚合法制備殼聚糖-丙烯酸-丙烯酰胺水凝膠，并對水凝膠進行了表征。研究發(fā)現(xiàn)，該水凝膠的低臨界溶解溫度為103℃，吸水倍率高達220，適合煤礦的防滅火。楊苗苗等[15]以化學交聯(lián)法研制出可用于礦用煤自燃防治高吸水、高保水性的水凝膠。結果顯示，該水凝膠的溶脹性能、保水性能和固水性能良好，并且該水凝膠在煤自燃過程中使CO 的產(chǎn)生量降低了28.09%～52.78%，抑制了煤的進一步氧化。史全林等[16]研制了環(huán)保型彈性水凝膠，解決了傳統(tǒng)水凝膠脆性大、受壓易碎的問題。結果顯示，該水凝膠受壓回彈后表現(xiàn)出優(yōu)異的彈性變形能力，并且在切割5min 后即可實現(xiàn)切口的重新交聯(lián)和修復自愈合，保障對煤長期覆蓋的濕潤性，有助于更高效控制并熄滅火源。

2 在醫(yī)藥領域的應用

2.1 水凝膠在藥物緩釋控釋方面的應用

水凝膠材料不僅可以作為藥物載體，而且能夠通過化學鍵合、溶劑活化和環(huán)境響應釋放等機制實現(xiàn)藥物的緩釋控釋。在藥物遞送過程中既能保證藥物持續(xù)釋放，又可以保持較高濃度的藥物在局部用藥部位長時間停留。候冰娜等[17]以泊洛沙姆為基體制備了可注射的溫敏性海藻酸鈉/泊洛沙姆復合水凝膠，并對其進行體外藥物釋放性能表征。研究發(fā)現(xiàn)，海藻酸鈉/泊洛沙姆復合水凝膠對抗癌藥物吉西他濱具有緩釋作用，藥物釋放時間可長達72h。王莉等[18]通過反相微懸浮聚合制備蛋白質(zhì)/高分子復合水凝膠微球，并以苯扎氯銨為模擬藥物考察復合水凝膠微球對苯扎氯銨的緩釋行為，結果顯示，加入單體為1.2mL 時，總計釋放率可達75%。

2.2 水凝膠在創(chuàng)傷傷口敷料方面的應用

水凝膠材料因其結構特性可自動調(diào)節(jié)傷口濕潤度，同時具有吸收傷口滲液的能力并且不易粘連的特點，具有發(fā)揮創(chuàng)傷傷口局部抗菌作用。岳璇等[19]通過化學改性將沒食子酸接枝到白及多糖的糖鏈上制備沒食子酸-白及多糖聚合物水凝膠，并以大鼠背部細菌傷口為模型，觀察到水凝膠具有光熱抗菌和顯著的促傷口愈合的作用。Yang 等[20]以殼聚糖為主要材料制備出具有止血、消毒和促進傷口愈合作用的多功能水凝膠敷料，這將為臨床上用于止血和抗感染愈合帶來福音。

2.3 水凝膠在生物組織支架方面的應用

水凝膠材料與機體組織結構的相似性可作為一類重要的生物醫(yī)學材料，其在生物醫(yī)學尤其是組織工程方面得到廣泛應用[21]。李云杰等[22]制備出能夠滿足軟骨再生需求的水凝膠，研究表明，該種材料具有良好的孔隙率和適宜的成膠時間，對周圍細胞生物相容性好，是軟骨組織工程方面優(yōu)異的支架材料。Cui 等[23]開發(fā)了一種可注射和降解的水凝膠作為軟骨支架，研究結果顯示，搭載聚乙烯磷酸乙酯-透明質(zhì)酸水凝膠能粘附在大鼠軟骨組織上，顯著改善了大鼠的軟骨再生，從而達到了更好的治療效果。

2.4 水凝膠在外周神經(jīng)修復方面的應用

水凝膠材料的硬度和黏彈性等力學性能與機體神經(jīng)組織相近似，其溶脹后構建的致密三維空間結構可促進神經(jīng)生長，是近年來應用于神經(jīng)修復領域的熱點醫(yī)用材料[24]。蔣曦等[25]制備出負載阿魏酸鈉的泊洛沙姆水凝膠，研究表明，該水凝膠可增強藥物對損傷脊髓的修復作用，提高藥物在受損脊髓處神經(jīng)功能重建與神經(jīng)再生的作用效果。Rao 等[26]制備出殼聚糖納米纖維水凝膠，將其與模擬腦源性神經(jīng)營養(yǎng)因子和血管內(nèi)皮生長因子多肽進行接枝，進而將該材料作為神經(jīng)導管填充物修復神經(jīng)缺損，結果發(fā)現(xiàn)，該材料在損傷早期不僅能促進神經(jīng)再生，還能促進血管滲透，是修復神經(jīng)缺損的有效手段。

2.5 水凝膠在人體健康監(jiān)測方面的應用

隨著現(xiàn)代科技的快速發(fā)展，人們面臨的壓力不斷增加，對身體的健康監(jiān)測變得至關重要。黃天龍等[27]以硼砂為交聯(lián)劑，制備了多功能導電復合水凝膠。該水凝膠具有優(yōu)異的導電性能和高靈敏度的電阻變化，被用作應變傳感器進一步監(jiān)測人體健康。宋亞婷等[28]以羧甲基纖維素鈉和丙烯酸為原料制備靈敏度和電自修復能力好的導電水凝膠。研究發(fā)現(xiàn)，該水凝膠的應變傳感器通過電信號可監(jiān)測人體細微或大幅度運動，展示出了在個人健康監(jiān)測和人體運動檢測中潛在的應用價值，為各種傳感應用的導電水凝膠提供新方向。

3 結語

隨著科學技術的日益發(fā)展和科研手段的不斷提高，新型材料被不斷創(chuàng)新并制造出來，其不僅具有傳統(tǒng)材料固有的理化特性，更具有一些改良的特殊功能。新型材料的研制為基礎科學研究提供更多選擇和技術支持，合理有效的將其與實際應用相結合，將極大的加快研究進程并拓展研究空間[29]。高分子材料水凝膠具有獨特的理化屬性，其在化工領域，特別是工業(yè)廢水處理、土壤保護、海水淡化、油田開采、燃料電池、煤礦阻燃方面發(fā)揮著不可或缺的作用。同時，高分子材料水凝膠具有良好的生物相容性，其在醫(yī)藥領域，尤其是在藥物緩釋控釋、創(chuàng)傷傷口敷料、生物組織支架、外周神經(jīng)修復和人體健康監(jiān)測方面也具有很高的開發(fā)價值，是未來最具潛力的材料之一。然而，水凝膠其自身某些特性或制備過程中的影響因素尚存在一些難題有待解決，如：裝載藥物的理化結合狀態(tài)研究、制備過程的空間塑形研究、高含水量增加與其它基底或電極材料之間的鍵合難度等。相信隨著研究的不斷深入，以上難點將被逐一突破，水凝膠這種新型材料的發(fā)展與應用前景將會得到極大的提升。