水凝胶材料的应用研究进展

水凝胶材料的应用研究进展

李春 ,张荷

上海辐新辐照技术有限公司  

摘要：多功能智能水凝胶材料（MSRH）同时具备水凝胶生物相容性以及刺激响应所具备的材料环境敏感等优势，基于智能材料以及生物医药等多个领域具备非常广阔的应用前景。分析总结了MSRH的响应机制；并在这一基础上分析了MSRH其基于驱动器和仿生皮肤以及在医疗领域中进行研究所获得的进展，总结了MSRH在持续发展过程中需要面对的挑战和未来的研究趋势。并提出使用４Ｄ打印等一些全新的去让MSRH形貌变得更加的丰富，除此之外还能够在其中完成对能量耗散机制的引入，通过这种方式让机械性能得到保证的同时还能够对多尺度仿生结构所具备的优势得到提升，让能量自身的使用率以及响应速率符合要求，通过对多学科知识进行研究让MSRH所具备的多项功能得到完善已经变成日后研究的重要方向。MSRH所选择的制备以及应用研究必然会为日后高性能智能材料的应用拓宽更多的发展思路。

关键词：多重响应；水凝胶；智能材料；应用进展

在不断进程的同时其中一些生物体逐渐在形态和功能上产生一种相对适应环境变化的能力，例如含羞草其在进行触碰的情况下会产生收缩情况，松果在受到水蒸汽的引导下则会慢慢的开合等。对于生物体结构以及性能进行模仿是化工以及材料领域重点研究的内容。水凝胶因为类细胞结构本身属于一种比较理想的智能仿生材料，可是传统刺激响应水凝胶响应的种类以及调控方式比较单一。多功能智能水凝胶当前的响应种类和进行调控的方式是多种多样的、其本身具备强大的适应性，在驱动器和仿生皮肤与生物医药等多个领域极就别广泛的应用前景。笔者主要完成对MSRH响应机制与应用领域和研究趋势进行分析，目的是在为智能仿生材料的开发提供理想的发展思路。

一、MSRH的环境响应机制

刺激响应性水凝胶可以对外部环境产生的变化去完成对自身的物理化学性能的调节。在刺激响应基团本身被均匀的分布在凝胶网络中的时候，MSRH能够在环境诱导形式下产生整体溶胀以及收缩。例如，将温敏性单体NIPAM以及光响应性单体螺吡喃丙烯酸酯衍生物保持融合，温度的提升和减少还有白光照射都能够导致水凝胶整体产生溶胀和收缩。可是这一策略仅让MSRH产生了一维形变，并且把刺激响应水凝胶和惰性基质相互组合，从而能够达成选择性驱动的目标。例如，以聚丙烯酰胺以及聚丙烯酸被当成PH以及温度敏感性水凝胶的基底，使用和惰性基质联合制备的方式完成对非对称性MSRH的制备。响应层产生的不对称形变能够完成对花的开放以及合拢的模拟。除了会出现弯曲以及舒展等一些基础的形变，MSRH还能够达成多维度以及比较复杂的一种变形。例如，以Ca2＋和海藻酸钠间配位键将其当成是交联点，从而达成从Na＋／Ca２＋产生的MSRH。因为离子之间产生置换，会让水凝胶局部出现溶胀以及收缩的问题，从而让MSRH实现三维模式下能够被控制的形变。MSRH其受到外界刺激引导下产生的形变其属于在驱动器等多个领域的应用打下了良好的发展基础。

二、MSRH的应用

（一）驱动器

MSRH材料其在受到了环境刺激下会出现可逆地的一种溶胀和收缩情况，使其变成建立仿生驱动器的一种比较理想的载体。例如，相关课题组把光响应螺吡喃水凝胶自己磁性纳米线进行融合，完成了光磁双重调控水凝胶驱动器的调整。因为螺吡喃单体能够在可见光下产生质子化以及去质子化的一种诱导亲水或者是疏水可逆转换能够让水凝胶局部出现形变，而纳米线其在受到外部磁场的影响下也会产生移动。最终实验的结果可以看出，十字形水凝胶其在可见光照射下会呈现出弓形，并且在受到外部磁场的驱动下不但可以在液态环境里可以任意行动，并且移动的速度和人类行走速度基本相同。基于相关策略，有相关研究人员完成了磷酸缓冲盐溶液以及乙醇响应的两性离子水凝胶驱动器的设计，同时完成了活鱼的抓取实验。MSRH其在外部刺激下产生的不对称形变可以对于生物体的一些行为进行模拟。可是和生物体进行对比，MSRH所具备的精巧性和自身的响应速度等仍然有较高的提升空间。

（二）仿生皮肤

MSRH本身具备较高的含水量，并且去自身的生物相容性比较理想具备导电率能够调整的优势，同时三维网状的结构与皮肤比较相似，因此开始被作为人造皮肤材料去使用。例如，有相关课题组将羟丙基纤维素和聚丙烯酰胺－聚丙烯酸（PACA）以及碳纳米管作为所使用的原料，完成对温度以及机械压力敏感的MSRH电子皮肤的合成。有相关研究结果显示，PACA产生的热响应效应能够让水凝胶对于温度产生比较敏感的特点。例如温度的快速提高，水凝胶膨胀并且朝着红色改变；自身的温度不断降低，水凝胶快速的收缩，颜色自然也会恢复。在受到外力作用影响时，水凝胶中的纳米结构也会产生转变，让电导率以及颜色全部产生变化；而撤除外力，电导率以及颜色也会快速的恢复。使用相同的策略，相关课题组把丙烯酰胺水凝胶以及纳米材料进行融合，通过融合的方式设计得出了针对温度自己光敏感的一种多功能的水凝胶电子皮肤。MSRH本身可以被作为一种智能仿生材料去完成外部物理信号以及机械去完成对电子信号转换的刺激，通过这样的方式能够为电子仿生皮肤在设计扩拓展类额发展思路。可是当前的MSRH其在响应速率以及灵敏度还有在能量使用率上都有一定程度的提高。

３.３生物医药

化疗是对恶性肿瘤进行治疗比较理想的一种方式，可是以往选择的药物释放载体本身不具备靶向性，采取何种方式对于患者以及肿瘤状态产生的转变达成按需治疗就变成了研究的重点内容。例如有课题组将聚Ｎ－丙烯酰甘氨酸和Fe304纳米颗粒与氧化石墨烯, 与药物分子将其划分为原料完成了光、磁响应的MSRH药物并完成了释放载体的制备。其中Fe304纳米材料能够把磁能以及光能最终转化为热能，水凝胶其局部温度的不断提升，使得水凝胶能够快速的产生凝胶朝着溶胶的情况改变，这样的情况下药物的释放就能够被合理控制。使用的策略大体相同，还有一些研究人员研发了温度以及光产生双重响应的能够完成注射的水凝胶。局部注射让其在肿瘤原本的位置产生的凝胶化，减少肿瘤组织同时完成对肿瘤复发问题的控制。另外，MSRH也能够被当成是一种周围神经的修复材料。例如，有课题组完成具备光热响应的一种导电水凝胶的制备，通过相关研究能够看出这种水凝胶材料可以针对小鼠坐骨神经带来损伤进行修复的过程中还能够让其自身的运动功能快速恢复。MSRH所展开的研究目的是建立一个效率比较高的智能药物载体同时为其自身的发展提供可能性。可是，采取何种方式不仅能够具备材料本身具备的机械性能同时还能够具备生物相容性另外能够实现生物可降解性能等也变成了日后需要重点研究的内容。

结语

MSRH因为响应的种类和可以进行调控的方式比较多样，所以具备较高的灵敏度，被使用在驱动器及人造皮肤还有生物医药等多个领域中，同时在这些领域还具备非常广泛的应用前景。这种技术本身所谓一种全新的智能材料，其自身所具备的结构性能和生物体进行对比仍然有很多的不足存在，因此要求同仁们持续对其自身结构以及性能给予优化，另外不断拓张其发展和使用领域。

参考文献

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