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1、会计学 1水凝胶的应用(yngyng)和研究进展第一页，共29 页。水凝胶水凝胶 水凝胶是一类具有亲水基团，能被水溶胀但不溶于水的具有三维网络结构的聚合物。它在水中能够吸收大量的水分显著溶胀，并在显著溶胀之后能够继续保持其原有结构而不被溶解。智能水凝胶能够感知外界刺激的微小变化，如温度、pH 值、离子强度、电场、磁场等，并能够对刺激发生敏感性的响应，常通过体积(tj)的溶胀或收缩来实现。第1 页/共29 页第二页，共29 页。水凝胶的特点水凝胶的特点(tdi(tdin)n)n n 水溶胀性，交联聚合物 水溶胀性，交联聚合物n n 亲水性，吸水可达自身重量的数千倍 亲水性，吸水可达自身重量的数千
2、倍n n 三维网络结构，在水中不溶解 三维网络结构，在水中不溶解n n 能够感知 能够感知(g(g nzh)nzh)外界微小刺激（智能性水凝胶）外界微小刺激（智能性水凝胶）第2 页/共29 页第三页，共29 页。水凝胶的三维网络(w nglu)示意图和扫描电镜图片第3 页/共29 页第四页，共29 页。水凝胶的分类(fn li)n n 物理凝胶和化学凝胶 物理凝胶和化学凝胶n n 宏观 宏观(hnggun)(hnggun)凝胶（柱状、多孔海绵状、纤维状、膜状、球状等）凝胶（柱状、多孔海绵状、纤维状、膜状、球状等）n n 微观凝胶（微球）微观凝胶（微球）n n 合成高分子水凝胶和天然高分子水凝胶
3、 合成高分子水凝胶和天然高分子水凝胶n n 第4 页/共29 页第五页，共29 页。从聚合物出发制备水凝胶有物理交联和化学交联两种。物理交联通过物理作用力如静电作用、离子(lz)相互作用、氢键、链的缠绕等形成。化学交联是在聚合物水溶液中添加交联剂,使聚合物交联成网络聚合物水凝胶。从聚合物出发合成水凝胶的最好方法是辐射交联法,所谓辐射交联是指辐照聚合物使主链线性分子之间通过化学键相连接。许多水溶性聚合物可通过辐射法制备水凝胶,如PVA、polyNI2PAAm、聚乙烯基吡咯烷酮(PVP)、聚丙烯酰胺(PAAm)、聚氧乙烯(PEO)等。聚合物交联聚合物交联第5 页/共29 页第六页，共29 页。水凝
4、胶的溶胀性n n 吸水溶胀是水凝胶的一个重要特征。在溶胀过程中 吸水溶胀是水凝胶的一个重要特征。在溶胀过程中,一方面 一方面水溶剂力图渗入高聚物内使其体积 水溶剂力图渗入高聚物内使其体积(t(t j)j)膨胀 膨胀,另一方面由 另一方面由于交联聚合物体积 于交联聚合物体积(t(t j)j)膨胀 膨胀,导致网络分子链向三维空间 导致网络分子链向三维空间伸展 伸展,分子网络受到应力产生弹性收缩能而使分子网络收缩。分子网络受到应力产生弹性收缩能而使分子网络收缩。当这两种相反的倾向相互抗衡时 当这两种相反的倾向相互抗衡时,达到了溶胀平衡。达到了溶胀平衡。第6 页/共29 页第七页，共29 页。水凝胶的
5、力学性能n n 水凝胶不仅要求具有良好的溶胀性能 水凝胶不仅要求具有良好的溶胀性能,而且 而且应具有理想的力学强度 应具有理想的力学强度(qingd),(qingd),以满足 以满足实际的需要。水凝胶力学性能参数：拉伸 实际的需要。水凝胶力学性能参数：拉伸强度 强度(qingd)(qingd)（膜状水凝胶），压缩强度（膜状水凝胶），压缩强度(qingd)(qingd)（柱状水凝胶）（柱状水凝胶）第7 页/共29 页第八页，共29 页。在同一水凝胶中，往往水凝胶的溶胀度和力学性能恰恰相反。水凝胶的交联度越高，结构越规准，因而力学性能往往更好，而交联度高则部利于(ly)水凝胶的溶胀。实际应用中，既
6、要追求水凝胶的溶胀性能，又要保证应用需要一定的机械强度，要根据不同需要设定不同标准。第8 页/共29 页第九页，共29 页。水凝胶的应用(yngyng)n n 在医药伤口敷料中的应用 在医药伤口敷料中的应用n n 水凝胶在医学领域中的首要应用即为伤口敷料，水凝 水凝胶在医学领域中的首要应用即为伤口敷料，水凝胶材料直接用于与人体组织接触，可防止体外微生物的感染，胶材料直接用于与人体组织接触，可防止体外微生物的感染，有效的防止体液的损失，并且能够传输氧分到伤口，一般说 有效的防止体液的损失，并且能够传输氧分到伤口，一般说来能促进伤口的愈合。医用伤口敷料的合成中，通常采用抗 来能促进伤口的愈合。医用
7、伤口敷料的合成中，通常采用抗菌性天然高分子作为单体，通过交联剂合成抗菌性水凝胶，菌性天然高分子作为单体，通过交联剂合成抗菌性水凝胶，并将消炎药物等包埋在水凝胶中，透过凝胶缓慢地释到受伤 并将消炎药物等包埋在水凝胶中，透过凝胶缓慢地释到受伤部位，加速伤口的愈合。医用水凝胶敷料可用于皮肤创伤 部位，加速伤口的愈合。医用水凝胶敷料可用于皮肤创伤(chungshng)(chungshng)、皮肤溃疡、烧伤，烫伤等、皮肤溃疡、烧伤，烫伤等n n 第9 页/共29 页第十页，共29 页。第10 页/共29 页第十一页，共29 页。不断降温，立即止痛 不断降温，立即止痛吸附渗液，阻隔细菌 吸附渗液，阻隔细菌
8、湿性环境，促进生长 湿性环境，促进生长生物相容，换药不粘 生物相容，换药不粘不易 不易(b y)(b y)成痂，减少疤痕 成痂，减少疤痕 医用创伤敷料(flio)的优点：第11 页/共29 页第十二页，共29 页。药物释放载体 由于水凝胶对低分子溶质具有较好的透过性，有良好的生物相容性和较好的重现性，可以作为将较低的药物长时间维持在患者(hunzh)体内的药物传输系统，当水凝胶被移植或注射到生物体后，水凝胶能够维持或向体液控制释放包埋在水凝胶中的药物，从而发挥疗效。第12 页/共29 页第十三页，共29 页。第13 页/共29 页第十四页，共29 页。退热退热(tu r)(tu r)贴贴n n
9、 适用于各种原因引 适用于各种原因引起的发热发热辅助 起的发热发热辅助治疗及物理降温，治疗及物理降温，缓发发热引起的头 缓发发热引起的头痛、头晕等不适症 痛、头晕等不适症状，使人体产生舒 状，使人体产生舒适感。对于儿童和 适感。对于儿童和成人发热，可用于 成人发热，可用于紧急退热，避免 紧急退热，避免(bmi(bmi n)n)发热过度 发热过度伤及脑部。伤及脑部。第14 页/共29 页第十五页，共29 页。水土水土(shu(shutt)保湿剂保湿剂 一种人工合成的具有超强吸水的保湿性能(xngnng)的高分子聚合物，主要成分为聚丙烯酸盐和聚丙烯酰胺共聚体。能吸收比自身重量高数千倍的脱离子水，数
10、十到数百倍的含盐水分，并且能缓慢的释放出来。可以反复使用，具有优良的保水抗旱性能(xngnng)。控制土壤水分蒸发，促进植物根系生长发育，同时改善土壤结构，增加土壤活性。欧、美、日本、以色列等国家，早已开始大面积应用，解决农业缺水问题，确定了其抗旱保水良好效果，显示出在农业生产中的巨大作用。第15 页/共29 页第十六页，共29 页。化妆品n n 水凝胶面膜也叫凝水膜。顾名思义，其具有强大的凝集水 水凝胶面膜也叫凝水膜。顾名思义，其具有强大的凝集水分的功能，它以水为分散介质，当把凝胶贴到皮肤上时，分的功能，它以水为分散介质，当把凝胶贴到皮肤上时，受到体温 受到体温(t(t wn)wn)的影响，
11、凝胶内部的物理结构从固态变 的影响，凝胶内部的物理结构从固态变成液态，并渗透到皮肤里。因此，在以水凝胶为基地材 成液态，并渗透到皮肤里。因此，在以水凝胶为基地材质的面膜内注入胶原蛋白、透明质酸、熊果苷、烟酰胺 质的面膜内注入胶原蛋白、透明质酸、熊果苷、烟酰胺等有效成分，可制成多种功能的面膜。等有效成分，可制成多种功能的面膜。n n 相较于传统材质面膜，水溶性水凝胶的果冻状精华成分不 相较于传统材质面膜，水溶性水凝胶的果冻状精华成分不易蒸发、干燥，其退热舒缓的效果对急性皮肤损伤（如 易蒸发、干燥，其退热舒缓的效果对急性皮肤损伤（如过敏、长痘、擦伤）有良好效果。过敏、长痘、擦伤）有良好效果。第16
12、 页/共29 页第十七页，共29 页。第17 页/共29 页第十八页，共29 页。水凝胶的研究进展 水凝胶所具有的优异性能已经并还在引起人们的广泛兴趣，使其研究与开发、生产与销售得到长期发展。然而，随着水凝胶应用领域的扩展 水凝胶所具有的优异性能已经并还在引起人们的广泛兴趣，使其研究与开发、生产与销售得到长期发展。然而，随着水凝胶应用领域的扩展而对其性能提出了更高要求，研制和开发性能更为优良的高分子水凝胶材料已成为目前的研究热点，其中环境 而对其性能提出了更高要求，研制和开发性能更为优良的高分子水凝胶材料已成为目前的研究热点，其中环境(hunjng)(hunjng)敏感性高分子水 敏感性高分子
13、水凝胶材料、超强吸水高分子水凝胶材料的吸液速率、耐盐性和凝胶强度的提高则得到人们的广泛关注。凝胶材料、超强吸水高分子水凝胶材料的吸液速率、耐盐性和凝胶强度的提高则得到人们的广泛关注。第18 页/共29 页第十九页，共29 页。pHpH敏感性水凝胶敏感性水凝胶 这类水凝胶的溶胀或去溶胀是随 这类水凝胶的溶胀或去溶胀是随 pH pH 值的变化而发生变化的。一般来说，具有 值的变化而发生变化的。一般来说，具有 pH pH 响应性的水凝胶都是通过交联而形成大分子网络，网络中含有酸性或碱性基团，随着介质 响应性的水凝胶都是通过交联而形成大分子网络，网络中含有酸性或碱性基团，随着介质 pH pH 值、离子
14、强度改变，这些基团发生电离导致网络内大分子链段间氢键的 值、离子强度改变，这些基团发生电离导致网络内大分子链段间氢键的解离，引起不连续的溶胀体积变化 解离，引起不连续的溶胀体积变化。pH pH 敏感性高分子水凝胶材料在细胞分离、固定化酶、控制释放 敏感性高分子水凝胶材料在细胞分离、固定化酶、控制释放(shfng)(shfng)药物及靶向药物等领域的应用研究日益活跃，并显示出较好的应用前景。药物及靶向药物等领域的应用研究日益活跃，并显示出较好的应用前景。第19 页/共29 页第二十页，共29 页。pH 敏感性水凝胶可以被包封到胶囊或硅树脂基质中来调节药物的释放，在硅树脂基质体系中，模型药物(包括
15、水杨(shu yn)酰胺、烟酰胺、可乐定等)的释放模式均与水凝胶的膨胀有关：在pH=12 时，网络的膨胀率低，药物的释放有限；当pH=6.8 时，网络离子化，膨胀率高，药物释放。另外，pH 敏感性水凝胶还被用于制备生物传感器和渗透开关。但是pH 敏感性水凝胶所固有的局限性在于其不具有生物降解性，使用后需从体内取出，在口服给药中，其非生物降解性并不成问题，但在植入给药系统或植入型生物传感器中较为严重。因此，需要开发可生物降解性的pH敏感性聚合肽类、蛋白质和聚糖类水凝胶。第20 页/共29 页第二十一页，共29 页。温度敏感性水凝胶的响应性依赖于温度的变化，能感应温度的变化而 温度敏感性水凝胶的响
16、应性依赖于温度的变化，能感应温度的变化而改变自身的状态或溶胀而收缩，在临界相转变温度发生体积突。根据水凝 改变自身的状态或溶胀而收缩，在临界相转变温度发生体积突。根据水凝胶溶胀比受温度的影响情况 胶溶胀比受温度的影响情况(qngkung)(qngkung)，可将其分为高温收缩型水凝胶和，可将其分为高温收缩型水凝胶和低温收缩型水凝胶。高温收缩型水凝胶在在 低温收缩型水凝胶。高温收缩型水凝胶在在LCST LCST 附近随温度升高而迅速下 附近随温度升高而迅速下降，反之升高。而低温收缩型水凝胶恰好相反。降，反之升高。而低温收缩型水凝胶恰好相反。温敏性水凝胶温敏性水凝胶第21 页/共29 页第二十二页
17、，共29 页。聚N-异丙基丙烯酰胺(PNIPAAm)水凝胶具有温敏性特征，在低温下溶胀，在高温下收缩，其特点是存在一个温度转变区域 低临界相变温度或低临界溶解温度(LCST)，当水凝胶在低于这一温度时凝胶溶胀，超过该温度则体积迅速收缩。在NIPAAm 中加入其他单体,如 甲基丙烯酸丁酯(BMA)形成(xngchng)共聚物，可以调整其最低临界溶解温度，进而改善材料的一些性能。通过调整甲基丙烯酸烷基酯的长度，可以调整表面的收缩。第22 页/共29 页第二十三页，共29 页。许多研究表明，有些水凝胶的溶胀比随温度的升 许多研究表明，有些水凝胶的溶胀比随温度的升高而增加，反之则降低，表现为热胀性。这
18、种特性对 高而增加，反之则降低，表现为热胀性。这种特性对于 于(duy)(duy)水凝胶的应用，尤其在药物的控制释放领域 水凝胶的应用，尤其在药物的控制释放领域的应用有重要意义。的应用有重要意义。但是温度敏感性水凝胶 但是温度敏感性水凝胶NIPAAm NIPAAm 及其衍生物的临 及其衍生物的临床应用也有其本身的局限性。如合成水凝胶的单体和 床应用也有其本身的局限性。如合成水凝胶的单体和交联物不具有生物相容性，即可能具有毒性、致癌性、交联物不具有生物相容性，即可能具有毒性、致癌性、致畸性；而且 致畸性；而且NIPAAm NIPAAm 及其衍生物不能生物降解。因 及其衍生物不能生物降解。因此，在
19、用于临床前，还需要进行大量的毒理学实验，此，在用于临床前，还需要进行大量的毒理学实验，并进一步开发新型生物相容性、生物可降解性水凝胶。并进一步开发新型生物相容性、生物可降解性水凝胶。第23 页/共29 页第二十四页，共29 页。第24 页/共29 页第二十五页，共29 页。光敏感性水凝胶光敏感性水凝胶 光敏感性水凝胶分为紫外光敏感性水凝胶和可见光敏感性水凝胶两种，其中可见光廉价、安全、易于操纵。紫外光敏感性水凝胶可以通过含有二 光敏感性水凝胶分为紫外光敏感性水凝胶和可见光敏感性水凝胶两种，其中可见光廉价、安全、易于操纵。紫外光敏感性水凝胶可以通过含有二(4-(4-二甲氨基 二甲氨基(nj)(n
20、j)苯基甲烷氰化物的聚合物网状结构制得。三苯基甲烷无色氰化 苯基甲烷氰化物的聚合物网状结构制得。三苯基甲烷无色氰化物在紫外线的照射下电离，在恒定的温度下，凝胶产生不连续性膨胀；撤去紫外光，凝胶收缩。含有光敏发色团 物在紫外线的照射下电离，在恒定的温度下，凝胶产生不连续性膨胀；撤去紫外光，凝胶收缩。含有光敏发色团 PNIAAm PNIAAm 水凝胶具有可见光敏感性。在光照下，发色团吸光而使局部温度上升，从而引起热敏性水凝胶 水凝胶具有可见光敏感性。在光照下，发色团吸光而使局部温度上升，从而引起热敏性水凝胶 PNIAAm PNIAAm 体积收缩的相 体积收缩的相转变，温度的升高与光的强度和发色团的
21、浓度有关。转变，温度的升高与光的强度和发色团的浓度有关。第25 页/共29 页第二十六页，共29 页。电场 电场(din ch(din ch ng)ng)敏感性水凝胶 敏感性水凝胶 目前利用 目前利用(lyng)(lyng)电场敏感性水凝胶控制药物释放的 电场敏感性水凝胶控制药物释放的研究尚处于起步阶段。电场敏感性水凝胶的优点在于药物 研究尚处于起步阶段。电场敏感性水凝胶的优点在于药物释放速度可以通过调整电场强度来控制，简单方便；缺点 释放速度可以通过调整电场强度来控制，简单方便；缺点在于对电场变化的响应慢、需要可控制的电场提供装置，在于对电场变化的响应慢、需要可控制的电场提供装置，而且大多数电场敏感性水凝胶需要在没有电解质的条件下 而且大多数电场敏感性水凝胶需要在没有电解质的条件下发挥作用，而在生理条件下，不容易达到要求。发挥作用，而在生理条件下，不容易达到要求。第26 页/共29 页第二十七页，共29 页。结语结语(jiy(jiy)水凝胶是一种迅速发展的新型功能高分子材料。对其环境敏感性行为的研究、发展和应用具有不可估量的前途。然而，大多数凝胶材料响应时间(shjin)太长，力学性能有待改善等限制了其实际应用，因此围绕凝胶材料性能的改善还有大量工作要做。第27 页/共29 页第二十八页，共29 页。第28 页/共29 页第二十九页，共29 页。