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2023-11-17 14:25:12

药物递送水凝胶技术简介

1. 水凝胶的基本概念
1.1 水凝胶
水凝胶是通过一个或多个单体发生简单反应形成含有大量水的具有三维网络结构的高分子体系。作为一种聚合物材料,水凝胶遇水溶胀并在结构中维持大量水分,但不会在水中溶解。由于含有大量的水分,水凝胶在一定程度上具有与天然组织一样的弹性。水凝胶的最大特性是在水中能迅速吸收大量水分溶胀,保存大体积的水而不溶解。干燥水凝胶样品是一种透明的固体材料,浸泡在水中后该高分子网络能够像海绵一样牢牢锁住水分子,保证材料含水量,呈现出原来的形状和结构。水凝胶材料的吸收水分能力来自于聚合物骨架上的亲水性功能基团,不溶于水的能力来自于网状链的相互交联。
许多材料都可形成水凝胶,包括天然的和人工合成的。在过去50年里,水凝胶因外表光滑弹性大和良好吸水保水性的广泛应用空间而备受关注。近20年中,天然水凝胶逐渐被人造水凝胶取代。这是因为人造水凝胶具有更长使用寿命、高水含量和高凝胶强度。人造聚合物往往具有明确的分子结构,能够进一步修饰获得特定的降解性和功能性。
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图1水凝胶形成示意图
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图2水凝胶的结构示意图
1.2 水凝胶的分类
水凝胶可以基于不同的角度进行分类。根据来源可分为天然水凝胶和人工合成水凝胶。根据结构可分为无定型体(非晶体状)、半晶状体(一种复杂无定型体和晶体状的混合物)和晶状体水凝胶。根据网状结构交联链的电荷可分为非电离型(中性)、离子型(包括阴离子和阳离子型)、两性电解型(同时包含酸性和碱性基团)和两性离子型(每个基础重复单元中同时含有阴离子和阳离子基团)水凝胶。
根据交联方式可以分为化学交联和物理交联水凝胶。物理交联是短暂的交联,通常是由于聚合物链的相互缠绕、离子相互作用、金属配位、氢键或疏水相互作用产生,当外界条件改变时能可逆性转回溶液状态,物理交联的水凝胶可以用来设计拥有自修复和应激响应性功能的材料;化学交联则是产生化学反应,通过不可逆的共价键作用(如自由基聚合和点击化学)构建起持久的三维网络,因此化学交联水凝胶的结构稳定且永久不变。
根据聚合物组成可分为同聚水凝胶(Homopolymeric hydrogels)、共聚水凝胶(Copolymeric hydrogels)和多聚合物穿插水凝胶(Multipolymer Interpenetrating polymeric hydrogel,IPN)。同聚水凝胶指聚合物网状结构由单一的单体构成;共聚水凝胶指聚合物网状结构由两种或更多种单体构成,其中至少一种是亲水性的;多聚合物穿插水凝胶指聚合物网状结构由两种独立的相互交联的人造或天然聚合物组成,其中一种成分是交联的聚合物,另一种是非交联的聚合物。
1.3 水凝胶的形成机理
水凝胶是分散在水溶液介质中的聚合物链通过多种机理发生交联而形成,形成机理包括物理纠缠、离子反应、化学交联等,具体的机理由聚合物的内在特性决定。

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图3 水凝胶的交联
1.4 水凝胶的理化性质
水凝胶具有生物相容性和生物可降解性、导电性、机械性能、应激响应性、溶胀性质等。
1)生物相容性和生物可降解性
在注射水凝胶用于治疗骨关节损伤等的研究中,未出现炎症反应,证实了水凝胶良好的生物相容性。水凝胶能通过改性或复合手段制成具有生物降解性的高性能水凝胶,在植介入和药物输送有巨大的应用潜力。
2)溶胀和吸水性质
水凝胶因其聚合物材料的主链或末端链中存在亲水性基团而具有能吸收大量水的溶胀性质,含水量可达到99%。将水凝胶作为医用敷料,在吸收伤口渗出液的同时还能保持环境湿润,能与伤口紧密贴合不粘连,减少细菌接触,不会造成与伤口粘连带来二次创伤。
3应激响应性
水凝胶具有高含水量、高灵敏度、可调控的结构和理化性质,使其可通过溶胀、收缩或溶胶-凝胶相变等形式对外界环境刺激做出快速响应。根据引起响应条件的不同,可将水凝胶的应激性分为物理响应和化学响应。物理响应指水凝胶会对物理环境的变化做出响应,例如热响应、光响应、磁场响应和力学响应。化学响应则指水凝胶会对化学环境的变化做出响应,例如pH值、离子强度等。物理响应水凝胶多用于日常生活,而化学响应水凝胶可用于生物医药。