什么是水凝胶？有什么用？

水凝胶是亲水性聚合物链的网络，有时也叫做胶体凝胶，其中水是分散介质。三维软体是由于亲水性聚合物链通过交联而保持在一起。由于固有的交联，水凝胶网络的结构完整性不会因高浓度的水而溶解。水凝胶也具有高吸收性（它们可以包含90％以上的水）天然或合成聚合物网络。“水凝胶”一词在文献中首次出现是在1894年。最初，对水凝胶的研究主要集中在这种相对简单的化学交联聚合物网络上，以研究其基本特征，例如溶胀/溶胀动力学和平衡，溶质扩散，体积相变和滑动摩擦，以及研究此类应用。如眼科和药物输送。随着水凝胶研究的不断发展，其重点已从简单的网络转移到“响应”网络。在这一阶段，已经开发出各种能够响应诸如pH，温度以及电场和磁场的环境条件变化的水凝胶。提出了响应电场和磁场的水凝胶致动器。然而，当时的水凝胶通常在机械上太软或太脆，这极大地限制了它们的潜在应用。随着新千年的到来，水凝胶也进入了一个新时代，其机械性能得到了突破性的改进。这一成功导致了水凝胶的许多跨学科研究。如今，可以通过具有耗能结构的各种化学方法来制造比肌肉和软骨更强韧的水凝胶。此外，还实现了其他功能，例如自愈，多重刺激反应，粘附，超湿润性等。强韧水凝胶的创新发展极大地扩展了该材料在各种领域的潜在应用，包括软体机器人，人造器官，再生医学等。

【主要用途】

1) 组织工程中的支架。

2) 当用作支架时，水凝胶可能包含人体细胞以修复组织。他们模仿细胞的3D微环境。

3) 使用水凝胶包被的孔进行细胞培养。

4) 对环境敏感的水凝胶（也称为“智能凝胶”或“智能凝胶”）。这些水凝胶具有感知pH，温度或代谢物浓度变化并释放这种变化的能力。

5) 可注射的水凝胶，可用作治疗疾病的药物载体或用于再生目的或组织工程的细胞载体。

6) 缓释药物输送系统。离子强度，pH和温度可以用作控制药物释放的触发因素。

7) 提供坏死和纤维化组织的吸收，脱脂和清创

8) 对特定分子（例如葡萄糖或抗原）有反应的水凝胶可以用作生物传感器，也可以用作DDS。

9) 一次性尿布可吸收尿液或放在卫生巾中。

10) 隐形眼镜（硅胶水凝胶，聚丙烯酰胺，含硅水凝胶）。

11) 使用由交联聚合物（聚环氧乙烷，polyAMPS和聚乙烯吡咯烷酮）组成的水凝胶的EEG和ECG医用电极。

12) 水凝胶炸药。

13) 直肠给药和诊断。

14) 量子点的封装。

15) 乳房植入物（丰胸）。

16) 胶水。

17) 用于在干旱地区保持土壤水分的颗粒。

18) 治愈烧伤或其他难以愈合的伤口敷料。伤口凝胶非常有助于创建或维持潮湿的环境。

19) 外用药物储备库；特别是通过离子电渗疗法递送的离子药物。

20) 模拟动物粘膜组织的材料，用于测试药物输送系统的粘膜粘附特性。

21) 热力发电。与离子结合使用时，可以使电子设备和电池散热，并将热交换转化为电荷。

 

【天然水凝胶】

天然水凝胶材料正在研究用于组织工程。这些材料包括琼脂糖，甲基纤维素，透明质酸，明胶，壳聚糖，弹性蛋白样多肽和其他天然来源的聚合物。水凝胶具有在农业中使用的前景，因为它们可以缓慢释放农药，磷酸盐肥料等农用化学品，提高效率并减少径流，同时改善诸如沙壤土等较干燥土壤的保水性。

在2000年，对使用水凝胶进行药物输送的研究有所增加。高分子药物递送系统由于其生物降解性，生物相容性和抗毒性而克服了挑战。最近的进展推动了水凝胶的配制和合成，这些水凝胶为药物递送系统的有效成分提供了强大的主链。诸如胶原蛋白，壳聚糖，纤维素和聚（乳酸-乙醇酸共聚物）之类的材料已广泛用于将药物输送到人体各个重要器官，例如：眼睛，鼻子，肾脏，肺，肠，皮肤和大脑。未来的工作集中在改善水凝胶的抗毒性，改变水凝胶的组装技术以使其具有更好的生物相容性和复杂系统的输送，例如使用水凝胶输送治疗性细胞。

【合成水凝胶】

化学合成常见成分包括聚丙烯酰胺，聚乙烯醇，聚丙烯酸钠，丙烯酸酯聚合物和具有丰富亲水基团的共聚物。结合水凝胶聚合物的交联剂可分为两大类：物理和化学。物理交联包括氢键，疏水相互作用和链缠结（以及其他）。通过物理交联产生的水凝胶有时称为“可逆”水凝胶。化学交联由聚合物链之间的共价键组成。以这种方式产生的水凝胶有时称为“永久”水凝胶。

【机械/粘弹性】

水凝胶具有广泛的机械性能，这是最近对其进行广泛应用研究的主要原因之一。通过修改水凝胶的聚合物浓度（或相反，改变水的浓度），杨氏模量，剪切模量和储能模量可以在10 Pa至3 MPa之间变化，范围约为5个数量级。通过改变交联浓度可以看到类似的效果。机械刚度的变化很大，这就是为什么水凝胶在生物医学应用中如此吸引人的原因，在生物医学应用中，水凝胶对于匹配周围组织的机械特性至关重要。

为了描述水凝胶随时间的蠕变和应力松弛行为，可以使用各种物理集总参数模型。这些建模方法差异很大且极为复杂，因此经验性Prony系列描述通常用于描述水凝胶的粘弹性行为。

【添加改性】

有许多方法可以微调水凝胶的机械性能。最简单的方法之一是对水凝胶系统的骨架和交联剂使用不同的分子，因为不同的分子彼此之间会有不同的分子间相互作用，而与吸收的水也有不同的相互作用。改变水凝胶强度或弹性的另一种方法是将它们接枝或表面涂覆在强度更高的载体上，或制备超孔水凝胶（SPH）复合材料，其中添加了可交联的基质溶胀添加剂。其他添加剂，例如纳米粒子和微粒，已显示出可显着改变生物医学应用中使用的某些水凝胶的硬度和胶凝温度。

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