簡易科普：快速瞭解什麼是水凝膠？有什麼用？

2021-01-20由問成風發佈於科技

【科普定義】

水凝膠是親水性聚合物鏈的網絡，有時也叫做膠體凝膠，其中水是分散介質。三維軟體是由於親水性聚合物鏈通過交聯而保持在一起。由於固有的交聯，水凝膠網絡的結構完整性不會因高濃度的水而溶解（doi:10.1021/acs.jchemed.6b00389）。水凝膠也具有高吸收性（它們可以包含90％以上的水）天然或合成聚合物網絡。“水凝膠”一詞在文獻中首次出現是在1894年（doi:10.1007/BF01830147）。最初，對水凝膠的研究主要集中在這種相對簡單的化學交聯聚合物網絡上，以研究其基本特徵，例如溶脹/溶脹動力學和平衡，溶質擴散，體積相變和滑動摩擦，以及研究此類應用。如眼科和藥物輸送。隨着水凝膠研究的不斷髮展，其重點已從簡單的網絡轉移到“響應”網絡。在這一階段，已經開發出各種能夠響應諸如pH，温度以及電場和磁場的環境條件變化的水凝膠。提出了響應電場和磁場的水凝膠致動器。然而，當時的水凝膠通常在機械上太軟或太脆，這極大地限制了它們的潛在應用。隨着新千年的到來，水凝膠也進入了一個新時代，其機械性能得到了突破性的改進。這一成功導致了水凝膠的許多跨學科研究。如今，可以通過具有耗能結構的各種化學方法來製造比肌肉和軟骨更強韌的水凝膠。此外，還實現了其他功能，例如自愈，多重刺激反應，粘附，超濕潤性等。強韌水凝膠的創新發展極大地擴展了該材料在各種領域的潛在應用，包括軟體機器人，人造器官，再生醫學等（doi:/10.1021/acs.macromol.0c00238）。

圖片來源：theconversation.com/water-retaining-hydrogels-the-unsung-heroes-of-medicine-66149

【主要用途】

1) 組織工程中的支架（doi:10.1002/advs.201801664）。

2) 當用作支架時，水凝膠可能包含人體細胞以修復組織。他們模仿細胞的3D微環境（doi:10.1039/C4RA12215）。

3) 使用水凝膠包被的孔進行細胞培養（doi:10.1126/science.1116995）。

4) 對環境敏感的水凝膠（也稱為“智能凝膠”或“智能凝膠”）。這些水凝膠具有感知pH，温度或代謝物濃度變化並釋放這種變化的能力（doi:10.1016/j.jconrel.2015.09.011）。

5) 可注射的水凝膠，可用作治療疾病的藥物載體或用於再生目的或組織工程的細胞載體（doi:10.1021/acs.biomac.9b00769）。

6) 緩釋藥物輸送系統。離子強度，pH和温度可以用作控制藥物釋放的觸發因素（doi:10.1016/j.cocis.2010.05.016）。

7) 提供壞死和纖維化組織的吸收，脱脂和清創

8) 對特定分子（例如葡萄糖或抗原）有反應的水凝膠可以用作生物傳感器，也可以用作DDS（doi:10.1021/cr500116a）。

9) 一次性尿布可吸收尿液或放在衞生巾中（doi:10.1016/j.eurpolymj.2014.11.024）。

10) 隱形眼鏡（硅膠水凝膠，聚丙烯酰胺，含硅水凝膠）。

11) 使用由交聯聚合物（聚環氧乙烷，polyAMPS和聚乙烯吡咯烷酮）組成的水凝膠的EEG和ECG醫用電極。

12) 水凝膠炸藥。

13) 直腸給藥和診斷。

14) 量子點的封裝。

15) 乳房植入物（豐胸）。

16) 膠水。

17) 用於在乾旱地區保持土壤水分的顆粒。

18) 治癒燒傷或其他難以癒合的傷口敷料。傷口凝膠非常有助於創建或維持潮濕的環境。

19) 外用藥物儲備庫；特別是通過離子電滲療法遞送的離子藥物。

20) 模擬動物粘膜組織的材料，用於測試藥物輸送系統的粘膜粘附特性（doi:10.1039/C5CC02428E）。

21) 熱力發電。與離子結合使用時，可以使電子設備和電池散熱，並將熱交換轉化為電荷（https://phys.org/news/2020-04-cool-electronic-devices-recover.html）。

圖片來源：

https://picclick.co.uk/Bedsores-Abrasions-Burns-Sores-Hydrogel-Wound-Dressing-Healing-283442781281.html

https://tolerogenics.lu/home/technology/hydrogel-technology/

https://www.alibaba.com/product-detail/Sodium-Polyacrylate-of-Chemical-fertilizers-used_60486680366.html

https://www.indiamart.com/proddetail/eye-contact-lenses-13209308648.html

【天然水凝膠】

天然水凝膠材料正在研究用於組織工程。這些材料包括瓊脂糖，甲基纖維素，透明質酸，明膠，殼聚糖，彈性蛋白樣多肽和其他天然來源的聚合物。水凝膠具有在農業中使用的前景，因為它們可以緩慢釋放農藥，磷酸鹽肥料等農用化學品，提高效率並減少徑流，同時改善諸如沙壤土等較乾燥土壤的保水性。

在2000年，對使用水凝膠進行藥物輸送的研究有所增加。高分子藥物遞送系統由於其生物降解性，生物相容性和抗毒性而克服了挑戰。最近的進展推動了水凝膠的配製和合成，這些水凝膠為藥物遞送系統的有效成分提供了強大的主鏈。諸如膠原蛋白，殼聚糖，纖維素和聚（乳酸-乙醇酸共聚物）之類的材料已廣泛用於將藥物輸送到人體各個重要器官，例如：眼睛，鼻子，腎臟，肺，腸，皮膚和大腦。未來的工作集中在改善水凝膠的抗毒性，改變水凝膠的組裝技術以使其具有更好的生物相容性和複雜系統的輸送，例如使用水凝膠輸送治療性細胞。

【合成水凝膠】

化學合成常見成分包括聚丙烯酰胺，聚乙烯醇，聚丙烯酸鈉，丙烯酸酯聚合物和具有豐富親水基團的共聚物。結合水凝膠聚合物的交聯劑可分為兩大類：物理和化學。物理交聯包括氫鍵，疏水相互作用和鏈纏結（以及其他）。通過物理交聯產生的水凝膠有時稱為“可逆”水凝膠。化學交聯由聚合物鏈之間的共價鍵組成。以這種方式產生的水凝膠有時稱為“永久”水凝膠。

【機械/粘彈性】

水凝膠具有廣泛的機械性能，這是最近對其進行廣泛應用研究的主要原因之一。通過修改水凝膠的聚合物濃度（或相反，改變水的濃度），楊氏模量，剪切模量和儲能模量可以在10 Pa至3 MPa之間變化，範圍約為5個數量級。通過改變交聯濃度可以看到類似的效果。機械剛度的變化很大，這就是為什麼水凝膠在生物醫學應用中如此吸引人的原因，在生物醫學應用中，水凝膠對於匹配周圍組織的機械特性至關重要。

為了描述水凝膠隨時間的蠕變和應力鬆弛行為，可以使用各種物理集總參數模型。這些建模方法差異很大且極為複雜，因此經驗性Prony系列描述通常用於描述水凝膠的粘彈性行為。

圖片來源：

advances.sciencemag.org/content/5/2/eaau3442/tab-figures-data

mdpi.com/2310-2861/5/2/24/htm

pubs.acs.org/doi/pdf/10.1021/acsomega.9b00651

【添加改性】

有許多方法可以微調水凝膠的機械性能。最簡單的方法之一是對水凝膠系統的骨架和交聯劑使用不同的分子，因為不同的分子彼此之間會有不同的分子間相互作用，而與吸收的水也有不同的相互作用。改變水凝膠強度或彈性的另一種方法是將它們接枝或表面塗覆在強度更高的載體上，或製備超孔水凝膠（SPH）複合材料，其中添加了可交聯的基質溶脹添加劑。其他添加劑，例如納米粒子和微粒，已顯示出可顯着改變生物醫學應用中使用的某些水凝膠的硬度和膠凝温度。

【作者總結】

隨着科學家們不斷的研究，各種各樣式水凝膠被開發，不論是新物理化學法，還是多重機構，抑或是多種用途。據悉，近年來越來越多的科學家將研究水凝膠興趣集中在生物醫學工程，人造器官，可穿戴電子設備和軟體機器人。此外，常見重要的性能表徵是流變，拉伸和溶脹。後期小編會詳細逐一介紹。