水凝胶溶胀度

1、水凝胶的溶胀性与抗张强度 高分子凝胶是由具有网状结构的聚合物和溶剂组成的。 水凝胶在水中可显着 溶胀。溶胀性是指凝胶吸收液体后自身体积明显增大的 现象，这是弹性凝胶的 重要特性，凝胶的溶胀可分为两个阶段：第一阶段是溶剂分子钻入凝 胶中与大 分子相互作用形成溶剂化层， 此过程很快， 伴有放热效应和体积收缩现象 (指凝 胶 体积的增加比吸收的液体体积小)第二阶段是液体分子的继续渗透， ； 这 时凝胶体积大大增加。 溶胀的大小可用溶胀度( swelling capacity )来衡量。 交联高聚物的溶胀过程实际上是两种相反趋势的平衡过程 , 溶剂试图渗透到网络 内部, 使体积溶胀导致三维分子网络的伸

2、展 ,交联点之间的分子链的伸展降低了 它的构象熵值 , 分子网络的弹性收缩力 , 力图使网络收缩。 当两种相反的倾向互相 抵消时, 达到溶胀平衡。高分子凝胶的溶胀特性与溶质和溶剂的性质、 温度及网络交联结构有关。 温 度敏性水凝胶是指能随环境温度变化发生体积突变现象的一类水凝胶。 这种凝胶 具有一定比例的疏水和亲水基团， 温度的变化可影响这些基团的疏水作用以及大 分子链间的氢键作用，从而使凝胶结构改变，发生体积变化。由于温度敏感性水凝胶的独特响应性， 在药物可控释放、 生物传感器、 生物 机械以及膜分离系统等方面有着极其重要的应用价值。 自20世纪80年代 Tanaka 等报道了聚N-异丙基丙

3、烯酰胺(PNIPAAm水凝胶的温度敏感性后，水凝胶的温 度敏感性受到了广泛的关注。聚N-异丙基丙烯酰胺凝胶属于低温溶解型温度敏感性水凝胶，它在较小的温度范围内可表现出明显的亲水和疏水变化， 从而表现出低温溶胀高温收缩的 性能，其临界溶解温度下限在 32°C左右。Inomata , Seker以及Kim等分别合成 了 N取代基不同的聚N取代丙烯酰胺类水凝胶，较深入地探讨了这类水凝胶的温度敏感性机理。Takei等研究发现，当NIPAm与亲水单体共聚时，聚合物的 临界溶解温度会升高 ; 与疏水单体共聚时， 聚合物的临界溶解温度则下降。 国 内对聚 N 取代丙烯酰胺类水凝胶的温度敏感性也进行

4、了一些研究。张先正等以 AAm与 NIPAAm共聚合成了具有快速温度敏感的水凝胶，研究发现AAm的用量对凝胶临界溶解温度有着较大的影响。王昌华等利用丙烯酸(3-磺酸钾)丙酯(SPAP) 与NIPAAm共聚，制备了 P(NIPAAm-co-SPAP水凝胶，发现该凝胶的临界溶解温 度在人体温度 (37 C ) 附近。另外，一些研究还发现，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，这类水凝胶称为高温溶解型温度敏感性水凝胶。Hiroki等合成的聚(N , N-二甲基丙烯酰胺-co-丙烯酰胺-co-甲基丙烯酸丁 酯)与聚丙烯酸的互穿网络水凝胶就具有这种温度响应特性。当前合成出的温

5、度 敏感性水凝胶普遍存在强度较低的弱点。 这主要是由于温度敏感性水凝胶一般含 有一定比例的疏水和亲水基团， 凝胶内部容易出现相分离， 使得凝胶在溶胀后内 部出现裂纹而容易破碎。 温度敏感性水凝胶的这一弱点， 在很大程度上限制了 它在生物机械以及膜分离系统等领域的应用。 因此，如何在保证凝胶温度敏感性 的前提下，制备出强度较高的水凝胶，是一个急需解决的问题。在凝胶的众多增强方法中， 互穿网络 (IPN) 技术是一个很好的选择。 利用互 穿网络技术合成出的水凝胶， 既能保持原有各组分的特性， 又能通过聚合物网络 间的相互缠结而起到对凝胶的增强作用。水凝胶的溶胀度除了受环境条件(温度、pH值)的影响

6、以外，还受自身结构、 介质的离子强度的影响。 同一条件下的交联密度越大 ,溶胀度越小 ;对于配比不同 的水凝胶而言 , 配比的影响取决于温度和选择交联剂用量的标准的用量。凝胶消溶胀性能的测定将在50 C下达到溶胀平衡的水凝胶准确称重然后迅速将凝胶放入60 C的去离子水中。 每隔一定时间将凝胶取出，擦干表面水份，称重。凝胶含水率 (WR) 可由下式进行计算。其中，Wd代表干凝胶的质量；We代表凝胶在50 C下达到溶胀平衡的质量；Wt 代表凝胶在60 C蒸馏水中消溶胀一定时间后的质量。凝胶抗压缩强度的测定 由于吸水后的凝胶的抗压缩力学性能与橡胶接近， 因此用橡胶的压阻实验来表征 凝胶的抗压缩强度。

7、 将干凝胶放入去离子水中， 控制吸水时间以得到溶胀度相同 的凝胶，然后将凝胶放入密闭容器中，在 30 C的环境下放置4 h,使凝胶溶胀 均匀，凝胶的溶胀度由 Eq。将凝胶切成10 mmx 10 mmx 10 mm的正方体，在 CMT-6104型万能力学测试仪上进行凝胶的橡胶压阻性能测试，压缩速度为1mm/min， 直至凝胶破裂。 凝胶的抗压缩强度 (stress strength) 由以下公式计 算: 其中F为试样截面受到的力，S为试样的截面积。敷料的功能与主要指标理想的敷料应具有如下功能 33: 防止水分与体液的损失 ； 覆盖及保护创面 不受感染 ； 良好的生物相容性 ； 透气，保湿性良好

8、: 与创面有有较好的粘合力，不产生变形 ； 有足 够的机械强度支持细胞分化增生 ； 表面具有足够的细胞吸附能力，有利于细胞的 薪附和 生长；能够促进上皮组织和肉芽的正常生长， 促进伤口愈合， 不留疤痕；材料来源 充足， 易于制作、加工等。评价敷料性能的主要指标如下 :(1) 机 械 性 能 : 主 要 是 抗 张 强 度 (tensil strength) 和 人 体 舒 适 性 (comfortablity) 。前者反 映敷料抵抗外力破坏的能力 ； 后者体现敷料的柔顺性，反映敷料在外力作用下的 变形特 点。(2) 细菌屏障作用 : 理想的创面敷料应能对微生物侵入起到阻隔的作用， 有效 地保护

9、创面，防止感染。(3) 粘附性: 即敷料均匀、紧密地粘附在创面的能力，以撕脱力表示。(4) 吸收容量 : 即敷料吸收创面渗出液及有害物质的能力， 吸收容量较大的敷 料能够防止创面积液，减少细菌生长，从而促进愈合。(5) 水蒸气透过率 : 适当的水蒸气透过率可使创面保持一个理想的湿度环境， 防止积液的同时也能保持创面湿润，有利于促进愈合。(6) 氧气通透性：氧气能够提高成纤维细胞的活性，有利于上皮组织成份胶原 蛋白的合成和表皮细胞的生长。(7) 其他:对于新开发的敷料应进行必要的毒性、 抗原性及过敏性测试。若敷 料中加入了药物，需进行体外释药实验及探明其协同作用。抗菌机理抗菌剂是对霉菌、细菌等微

10、生物高度敏感的化学物质，它能通过化学反应或 物理作用杀死与其接触的微生物。抗菌材料是指经过抗菌剂处理后具备了抗微生 物性能的材料，在其使用过程中可以抑制对人类的正常生活和生产环境有害的微 生物的生长和繁殖。人体在正常的代谢过程中，不断产生酸性物质和碱性物质，也从食物中摄取酸性 物质和碱性物质，酸性物质和碱性物质在人体内不断变化， 但由于人体具有一定 的酸碱平衡调节能力，所以正常情况下体内酸碱能保持相对平衡，这个平衡就是酸碱平衡，平衡范围为酸碱度(即 pH值)7.35-7.45，平均为7.41，呈弱碱 性。如果人体内的pH值经常低于7.35，就称为酸性体质。人体的正常pH值为7.35-7.45，

11、呈弱碱性，人体的免疫细胞最适宜的 pH值条件 就是7.35-7.45。在这个条件下，免疫细胞的战斗力最强，人体的免疫力功能最 好，但是如果pH值发生偏差造成下降，免疫细胞的活性将大幅度降低，免疫功 能将随之减弱，而一些病毒和病菌却是在酸性条件下活性最强。水凝胶的制备目前水凝胶的合成所采用的原料以液体和固体为主。较常用的聚合方法有溶液 法、反向悬浮法、反向乳液法和分散聚合法等。引发方式除化学引发外，还有射线辐射引发、光引发、等离子体引发等，后几种引发方式由于未加化学引发剂， 所制得的体系较为纯净。溶液法将单体溶于水中形成溶液，在适当的引发条件下引发反应，在一定温度下反应一 定时间后，出料，得到凝

12、胶状弹性体，经切碎、烘干、粉碎、筛分等工序即可得 到产品。溶液法具有实施方法简单、体系纯净、交联结构均匀且不存在有机溶剂 的使用及回收问题等优点。但溶液法还存在一些不足，如:反应过程中粘度增大， 反应热难以排出；单体浓度低，设备利用率低和生产能力低；体系含水量较大， 产品的后处理工序所需能量大反相悬浮法反相悬浮法是以油类为分散介质，单体的水溶液为分散相，引发剂溶解在水相 中进行聚合的一种聚合方法。该体系一般包括单体、分散介质、分散剂、水溶性 引发剂四个基本组成部分。反相悬浮法具有反应散热快、 控温比溶液法容易，产 品分子量比溶液聚合高，杂质含量比乳液聚合产品低，以及所得粒状产品不需粉 碎工序等特点。该方法在制备聚丙烯酸钠高吸水树脂中被广泛采用。但反相悬浮法也存在一些不足，如较难获得稳定的反应体系，反应中容易结块、粘壁、所得 产品不如溶液法纯净等，且存在有机溶剂的使用、回收及污染等问题。反相乳液法将分散介质 （油相 ）加到反应器中，再加入一定量的乳化剂达到其临界胶束浓度， 充分搅拌， 使乳化剂溶解并搅拌均匀， 加热到反应温度， 然后将单体滴加到反应 器中形成稳定的乳液，同时滴加引发剂引发反应。一定时间后停止反