定时响应的水凝胶

01水凝胶介绍水凝胶可定义为在水中能够溶胀并保持大量水分而又不能溶解的交联聚合物。亲水的小分子能够在水凝胶中扩散。水凝胶的网络结构如图1所示。图1

水凝胶的网络结构图02水凝胶的分类水凝胶有各种分类方法,根据水凝胶网络键合的不同,可分为物理凝胶和化学凝胶。物理凝胶是通过物理作用力如静电作用、氢键、链的缠绕等形成的,这种凝胶是非永久性的,通过加热凝胶可转变为溶液,所以也被称为假凝胶或热可逆凝胶。许多天然高分子在常温下呈稳定的凝胶态,如k-型角叉菜胶、琼脂等;在合成聚合物中,聚乙烯醇(PVA)是一典型的例子,经过冰冻-融化处理,可得到在60℃以下稳定的水凝胶。化学凝胶是由化学键交联形成的三维网络聚合物,是永久性的,又称为真凝胶。根据水凝胶对外界刺激的响应情况可分为传统的水凝胶和环境敏感的水凝胶两大类。环境敏感的水凝胶是指自身能感知外界环境微小的变化或刺激,并能产生相应的物理结构和化学性质变化甚至突变的一类高分子凝胶。此类凝胶的突出特点是在对环境的响应过程中其溶胀行为有显著的变化,利用这种刺激响应特性可将其用做传感器、控释开关等。根据合成材料的不同,水凝胶又分为合成高分子水凝胶和天然高分子水凝胶。天然高分子由于具有更好的生物相容性、对环境的敏感性以及丰富的来源、低廉的价格。但是天然高分子材料稳定性较差,易降解。生物水凝胶最早源于生物学研究领域中对生物大分子的研究。20世纪60年代末，科学家发现某些生物大分子具有水凝胶形态，即在水中形成三维网络结构，同时保持一定的弹性和可逆性。这种特殊的凝胶状态激发了科学家们对生物水凝胶的深入研究和应用探索。生物水凝胶的基本原理是利用特定的生物大分子（如蛋白质、多糖等）在水中形成交联结构，从而形成具有高度保水性和可逆变形性的凝胶体系。这种凝胶具有高度的生物相容性和生物活性，因此在生物医学、组织工程、药物传递等领域展现了巨大的潜力。03定时响应的水凝胶图2

浙大团队用一片水凝胶，做了一个定时开机的“变形金刚”2020年，一个“新面孔”进入了团队的视野——日本北海道大学的龚剑萍教授开发出一类新型水凝胶，受热会变得坚硬，它是一类具有延时变形特质的水凝胶—变形前会有一段“休眠期”。新材料不仅具有形状记忆，而且“知道”什么时候要恢复记忆，它的回弹不仅延迟，而且是定时发生的。浙大团队通过超高场核磁共振成像技术发现，这种材料内部存在两种的水状态，一种是高分子相内部的结合水，另一种是高分子相间的游离水。在加热材料“植入”临时形状时，体系相分离的程度大，结构水含量低，材料硬度高;而降温是相融合的过程，结构水含量逐渐升高，材料随之变软。观察发现，材料中的结构水含量达到70%时，会出现肉眼可见的变形。图3

不同形状记忆材料的性能比较定时变形行为是由水分子的扩散驱动的，不同于普通形状记忆的热传导控制。正因如此，它的“反射弧”的长短取决于材料在高温下固定临时形状的时间，也就是热编程时间一一热编程的时间越长，自由水在材料内部扩散的时间越长，相分离程度就越大。基于对机理的把握，科学家得以利用“延时”来创造“定时”:调控热编程时间，对材料的不同位置设置了不同的热编程时间，这样它们的“休眠期”就各有长短，发生形变的次序由此产生。图4

调控热编程时间后的定时响应水凝胶04水凝胶的应用生物医学领域1、烧伤涂敷物(HydrogelDressing)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,抑制体液的损失,传输氧到伤口,一般说来能促进伤口的愈合。2、药物传输体系

(DDS)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,一般说来,有两种类型的控制释放,一种是像凝胶涂敷物一样释放小分子,另一种情况是含有药物的聚合物基材逐渐分解,在这种情况下,药物扩散进入周围环境,由材料的生物降解速率控制。有时水凝胶作为胶束装载药物,药物释放的速率由通过调整交联度和水凝胶的化学组成实现,特别是智能型水凝胶问世以来,水凝胶在该领域的应用研究更为深入。3、补齿材料有一些两组分或多组分的补齿