水凝膠的應(yīng)用研究概述目錄TOC\o"1-3"\h\u19173水凝膠的應(yīng)用研究概述 1234091.1藥物輸送 1151581.2染料和重金屬離子的去除 2180141.3組織工程支架 3187971.4隱形眼鏡 599461.5pH傳感器 677341.6生物傳感器 6324911.7脊髓再生用可注射水凝膠 9264611.8超級電容器水凝膠 10水凝膠被用于許多領(lǐng)域。這是由于它們的特定結(jié)構(gòu)以及與不同使用條件的兼容性。由于其含水量，水凝膠的柔韌性使其可以在從工業(yè)到生物的不同條件下使用，并且用于生產(chǎn)它們的材料的生物相容性以及它們在生物環(huán)境中的化學(xué)行為也可能是無毒的。將其應(yīng)用擴(kuò)展到醫(yī)學(xué)領(lǐng)域。1.1藥物輸送受控藥物輸送系統(tǒng)（DDS）用于克服特定藥物配方的局限性，該系統(tǒng)用于以一定的速率在預(yù)定的時間段內(nèi)輸送藥物。水凝膠的出色性能使其成為藥物輸送應(yīng)用中的絕佳選擇。由于具有多孔結(jié)構(gòu)，水凝膠對不同種類的藥物具有很高的滲透性，因此可以加載藥物，并在適當(dāng)條件下釋放藥物[15]。長時間釋放藥物（持續(xù)釋放）的可能性是水凝膠在藥物輸送研究中獲得的主要優(yōu)勢，這導(dǎo)致在較長時間內(nèi)向特定位置提供高濃度的活性藥物?？梢圆捎梦锢恚o電相互作用）和化學(xué)（共價鍵）策略來增強(qiáng)負(fù)載藥物與水凝膠基質(zhì)之間的結(jié)合，從而延長藥物釋放的持續(xù)時間。水凝膠可以儲存和保護(hù)各種藥物免受惡劣環(huán)境的影響，并以所需的釋放動力學(xué)釋放它們?？梢酝ㄟ^局部改變pH值，溫度，特定酶的存在或通過遠(yuǎn)程物理刺激來激活藥物釋放。1.1.1DDS中的pH敏感水凝膠由于pH值變化發(fā)生在許多特定的或病理的身體部位，因此它是DDS的重要環(huán)境參數(shù)之一。人體沿胃腸道以及某些特定區(qū)域（例如某些組織（和腫瘤區(qū)域）和亞細(xì)胞區(qū)室）的pH值都會發(fā)生變化。pH敏感的DDS中使用酸性和堿性聚合物。PAA，PMAA，聚（L-谷氨酸）和含有磺酰胺的聚合物是最常用于藥物遞送的酸性聚合物。堿性聚電解質(zhì)的典型實例包括聚（2-（二甲基氨基）甲基丙烯酸乙酯和聚（2-（二乙基氨基）甲基丙烯酸乙酯），聚（2-乙烯基吡啶）和可生物降解的聚（β-氨基酯）。pH敏感性水凝膠也通過不同的方法用于提取和測定目的[16]。1.1.2DDS中對溫度敏感的水凝膠pH敏感系統(tǒng)等熱敏聚合物為生物醫(yī)學(xué)提供了許多可能性。在許多對溫度敏感的聚合物中，聚（?-異丙基丙烯酰胺）（PNIPAAm）和聚（N，N-二乙基丙烯酰胺）（PDEAAm）有許多應(yīng)用。PDEAAm的LCST值較低（臨界溫度，低于該臨界溫度，任何成分的溶液均可以混溶），溫度范圍為25-32°C，接近正常人體溫度。1.2染料和重金屬離子的去除重金屬污染通常存在于許多工業(yè)過程的廢水中，并且已知會對公共衛(wèi)生和生態(tài)系統(tǒng)造成嚴(yán)重威脅。從各種水資源中去除重金屬離子具有重大的科學(xué)和實踐意義。合成的交聯(lián)聚丙烯酸酯水凝膠已用于去除水性介質(zhì)中的重金屬毒性[17]。然而，由于這些合成材料非常昂貴，因此大規(guī)模應(yīng)用這些合成材料可能不是實際的解決方案。重金屬離子造成的污染可以通過眾所周知的吸附工藝去除，該工藝不僅具有設(shè)計和操作上的靈活性，而且還具有重復(fù)使用處理過的廢水的優(yōu)勢。同樣由于吸附過程的一般可逆性，通常有可能使吸附劑再生以使該過程最具成本效益。已經(jīng)研究了使用水凝膠作為吸附劑來去除重金屬，回收染料以及從各種廢水中去除有毒成分。表面帶有羧基，磺酸基，膦酸基和氮基的吸附劑有利于金屬離子的吸附[18]。水凝膠被證明是極佳的染料吸附材料，具有極高的亞甲基藍(lán)吸附量。在形成水凝膠的材料中，聚電解質(zhì)在重金屬離子的去除中具有特殊的意義。聚電解質(zhì)在該領(lǐng)域的許多應(yīng)用是由于其結(jié)合帶相反電荷的金屬離子形成絡(luò)合物的能力。實際上，在微凝膠或納米凝膠上同時具有陽離子電荷和陰離子電荷為同時去除兩個不同的物種提供了其他優(yōu)勢。水凝膠是多用途且可行的材料，顯示出在環(huán)境應(yīng)用方面的潛力。殼聚糖，藻酸鹽，淀粉和纖維素衍生物是基于生物聚合物的水凝膠，用于從水性介質(zhì)中去除金屬離子。已經(jīng)表明，重金屬離子的吸附機(jī)理和吸附能力受水凝膠官能團(tuán)的影響。這是因為像螯合劑和離子交換，而不是簡單吸附在金屬離子去除。基于殼聚糖的水凝膠由于其結(jié)構(gòu)中存在多個氨基（NH2）和羥基（OH），因此可用于去除重金屬離子。這種適用性源于金屬離子與所謂的氨基形成螯合物的趨勢。但是，殼聚糖與交聯(lián)劑反應(yīng)后，其與吸附能力有關(guān)的堿性降低。這些官能團(tuán)的化學(xué)修飾可以改善不僅吸附容量，而且脫乙酰殼多糖的物理化學(xué)性質(zhì)。不同的方法被研究人員用來修改殼聚糖包括使用氨基酸酯，氧代-2-戊二酸，吡啶，乙二胺，碳二亞胺，芳族聚酰亞胺，胺官能化的磁性納米顆粒，和甘氨酸[19]。這些研究表明，在修飾官能團(tuán)后，基于殼聚糖的水凝膠的吸附能力和機(jī)械阻力均會提高。1.3組織工程支架組織工程定義為材料，工程和細(xì)胞的組合，以改善或替代生物器官。這需要找到合適的細(xì)胞類型，并在合適的條件下在合適的支架中進(jìn)行培養(yǎng)。水凝膠是一種吸引人的支架材料，因為其結(jié)構(gòu)與許多組織的細(xì)胞外基質(zhì)相似，它們通?？梢栽谙鄬睾偷臈l件下進(jìn)行加工，并且可以以微創(chuàng)的方式遞送[20]。每個特定應(yīng)用的適當(dāng)腳手架設(shè)計和材料選擇取決于幾個變量，包括物理特性，質(zhì)量傳輸特性和生物學(xué)特性，并由預(yù)期的腳手架應(yīng)用和將要放置腳手架的環(huán)境來指定。例如，用于生產(chǎn)人造皮膚的支架的類型必須與用于人造骨的支架的類型不同，因此需要用于材料的不同結(jié)構(gòu)。合成和天然來源的材料均可用于形成用于組織工程支架的水凝膠。合成水凝膠很有趣，因為它很容易控制其化學(xué)和結(jié)構(gòu)，從而改變其性能?？梢杂脕硇纬伤z的聚合合成材料的例子是聚環(huán)氧乙烷（PEO），聚（乙烯醇）（PVA）和聚（富馬酸丙二酯）（PPF）[21]（圖1-7）。圖1-7聚環(huán)氧乙烷（PEO），聚（乙烯醇）（PVA）和聚（富馬酸丙二酯）（PPF）形成水凝膠的聚合合成材料天然衍生的形成水凝膠的聚合物是在組織工程支架中使用的其他候選物，因為它們是天然的細(xì)胞外基質(zhì)組分或具有與這些基質(zhì)相似的性質(zhì)，并且它們以有利的方式在體內(nèi)相互作用。例子有藻酸鹽和殼聚糖[22]（圖1-8）。圖1-8藻酸鹽和殼聚糖在體內(nèi)相互作用水凝膠在組織工程有三個目的應(yīng)用，它們分別是用于輸送生物活性分子的載體、可用作填充空位的試劑以及用作細(xì)胞支持并幫助其形成理想組織的3D結(jié)構(gòu)。用于填充空位的試劑（空間填充劑）包括提供膨脹，防止粘附或充當(dāng)生物粘合劑的腳手架。為了達(dá)到這個目的，水凝膠最基本的設(shè)計要求是能夠在所需時間內(nèi)保持所需的體積和結(jié)構(gòu)完整性的能力?；谠逅猁}，殼聚糖和膠原蛋白的水凝膠支架具有用作一般填充劑的潛力。合成水凝膠經(jīng)常用作抗粘連材料，因為如果細(xì)胞設(shè)計得不適當(dāng)，細(xì)胞將缺乏對它們的粘著受體，并且蛋白質(zhì)通常不容易吸收它們。聚乙二醇（PEG）已被用來防止手術(shù)后粘連。[23]脫乙酰殼多糖和殼多糖的衍生物組成的水凝膠現(xiàn)在用作外科手術(shù)的生物粘合劑，以密封小傷口外面空氣和體液可能泄漏，從而能夠提高傷口敷料有效性。支架水凝膠的另一個非常不同的應(yīng)用包括將其用作媒介物，以穩(wěn)定生物活性分子并將其傳遞至靶組織并包裹分泌細(xì)胞。另外，對靶組織必要或有益的許多因素可能對其他組織有毒。因此，在許多情況下，高度期望允許局部和特異性遞送至期望的組織部位的媒介物或支架。由于水凝膠是聚合物的高度水合的3D網(wǎng)絡(luò)，因此它們可以提供化學(xué)和機(jī)械信號，并且還為細(xì)胞粘附，增殖和分化提供了環(huán)境。因此，它們適合于細(xì)胞遞送和組織發(fā)育目標(biāo)。如今，水凝膠支架被用于生產(chǎn)各種組織，包括軟骨，骨骼，肌肉，脂肪，肝臟和神經(jīng)元?；谒杞M織的類型，可以利用不同種類的水凝膠。例如，藻酸鹽已比其他水凝膠更廣泛地用于評估水凝膠支架在軟骨工程中的體內(nèi)潛力以及在神經(jīng)移植領(lǐng)域作為施旺細(xì)胞基質(zhì)，而膠原蛋白已用于工程大血管[24]。1.4隱形眼鏡在生物應(yīng)用中使用合成水凝膠的關(guān)鍵領(lǐng)域是眼科，尤其是隱形眼鏡。隱形眼鏡是直接放置在角膜上以改變角膜屈光力的小型光學(xué)設(shè)備。LeonardodaVinci在1508年描述了使用隱形眼鏡的第一個概念。這包括將眼睛浸入一碗水中。1960年底，OttoWichterle教授開發(fā)了聚甲基丙烯酸2-羥乙酯（PHEMA）鏡片；本發(fā)明代表了隱形眼鏡發(fā)展和軟性眼鏡時代開始的最重要的一步[25]。將角膜接觸鏡直接放置在角膜表面會阻止大氣中的氧氣交換，從而干擾角膜的自然生理代謝，即低氧應(yīng)激，因此，優(yōu)質(zhì)的角膜接觸鏡必須具有最大的透氧性。對角膜的機(jī)械應(yīng)力產(chǎn)生與缺氧應(yīng)力相同的問題，例如上皮細(xì)胞的有絲分裂，蛋白酶和糖苷酶的活性升高，角膜敏感性以及角膜水合和透明性的變化。為了減少這些應(yīng)力，必須正確選擇接觸材料及其形狀。在不同的生理條件下使用時，用于生產(chǎn)隱形眼鏡的水凝膠可滿足大多數(shù)要求。對于用作隱形眼鏡的水凝膠材料，在使用過程中需要使其舒適。這些必需品包括水含量，良好的機(jī)械性能，對氧氣的滲透性，表面的潤濕性，良好的光學(xué)設(shè)施，對水解和滅菌的穩(wěn)定性，具有無毒性質(zhì)以及對活細(xì)胞具有足夠的生物學(xué)耐受性。為了增加水凝膠的水含量并實現(xiàn)增強(qiáng)的溶脹效果，可以使用不同類型的單體。這些包括甲基丙烯酸二羥基酯，甲基丙烯酸，丙烯酰胺和許多其他單體。圖1-9TRIS結(jié)構(gòu)中的亞甲基表示親水改性的位點硅酮水凝膠代表一組獨(dú)立的隱形眼鏡材料。堿性水凝膠的發(fā)展催生了這類產(chǎn)品，它們具有良好的溶脹性和對氧氣的高滲透性，使其適合在鏡片中使用。這些性能歸因于其結(jié)構(gòu)，其中疏水性有機(jī)硅與親水性鏈連接，從而使所得復(fù)合材料在機(jī)械和光學(xué)上均適用。使用通常稱為“TRIS”的甲硅烷氧基甲基丙烯酸酯單體可實現(xiàn)高透氧性。TRIS結(jié)構(gòu)中的亞甲基表示親水改性的位點（圖1-9）。可以在聚合物的結(jié)構(gòu)中摻入線性或支鏈的親水性聚合物鏈以形成互穿網(wǎng)絡(luò)，從而減少正常使用時鏡片的干燥。這意味著“潤濕鏈”僅通過物理鍵固定，而沒有與圖案化水凝膠網(wǎng)絡(luò)的任何共價連接。1.5pH傳感器響應(yīng)于某些環(huán)境參數(shù)的微小變化，刺激響應(yīng)性聚合物或水凝膠可顯著改變其體積。陽離子型聚電解質(zhì)在低pH值下會更多地溶解（溶脹），反之亦然，這是由于離子化引起的。在對pH敏感的水凝膠傳感器中使用了兩種類型的傳感器：基于通過水凝膠溶脹和收縮進(jìn)行的機(jī)械工作的傳感器，以及那些觀察自由溶脹凝膠的性能變化的傳感器。水凝膠使換能元件變形或機(jī)械變形從而導(dǎo)致該元件的特殊性能發(fā)生變化或?qū)е驴蓹z測距離發(fā)生變化的能力是基于水凝膠的機(jī)械功進(jìn)行換能器操作的基礎(chǔ)。它們被分類為光學(xué)傳感器，包括反射膜片和光纖布拉格光柵傳感器，以及機(jī)械傳感器，包括微懸臂梁和彎曲板傳感器。游離溶脹凝膠的換能器必須直接觀察一種或多種水凝膠特性的變化，并且包括光學(xué)，電導(dǎo)和振蕩換能器。光學(xué)傳感器可以直接測量水凝膠光學(xué)性質(zhì)的變化。一種不同的方法是基于觀察特殊填充物或表面涂層，這些填充物或表面涂層由于水凝膠溶脹而發(fā)生變化或移動。振蕩換能器是不斷改變其諧振頻率的設(shè)備。負(fù)載特性的變化導(dǎo)致該諧振頻率的偏移。這可能伴隨著信號幅度的變化。電導(dǎo)率傳感器的基礎(chǔ)是隨著溶脹度的變化而測量水凝膠的電導(dǎo)率。1.6生物傳感器將物理傳感器和化學(xué)傳感器組合在一起就可以形成生物傳感器。生物傳感器的功能有兩種定義：可以被認(rèn)為是一種可以感知和報告被研究系統(tǒng)的生物物理特性的設(shè)備，或者是一種可以通過轉(zhuǎn)換生化數(shù)據(jù)來提供有用的分析信息的設(shè)備。在所有生物傳感器中，一個共同的方面是存在生物識別部分，該部分使分析生物信息成為可能。作為涵蓋各種應(yīng)用領(lǐng)域的實用工具，生物傳感器正變得越來越重要，這些應(yīng)用領(lǐng)域包括即時檢驗，家庭診斷和環(huán)境監(jiān)測。被稱為生物元素的生物識別部分由不同的結(jié)構(gòu)組成，例如酶，抗體，活細(xì)胞，或組織，但重點是它對一種分析物的特異性和對其他干擾物的零響應(yīng)。將生物分子與傳感器偶聯(lián)的方法有多種，包括截留在膜中，物理吸附，截留在基質(zhì)中或共價鍵[26]。水凝膠的高水含量和親水性類似于細(xì)胞外基質(zhì)的空隙填充成分，并使其具有內(nèi)在的生物相容性。因此，水凝膠在生物傳感器中的明顯應(yīng)用是傳感器部件的保護(hù)和涂層功能，以防止與生物分子或細(xì)胞發(fā)生不良相互作用。水凝膠可用作生物傳感元件的固定基質(zhì)，并為酶和其他生物分子提供優(yōu)良的環(huán)境，以保持其活性和功能結(jié)構(gòu)。分析物與傳感元件之間的相互作用導(dǎo)致響應(yīng)目標(biāo)組分的體積變化，并且該體積變化是基于水凝膠的傳感器識別的基礎(chǔ)（圖1-10）。圖1-10分析物與傳感元件之間的相互作用導(dǎo)致響應(yīng)目標(biāo)組分的體積變化根據(jù)分析物的性質(zhì)，使用了幾種類型的傳感元件，但這些元件可以分為兩個不同的組：分子相互作用和生物傳感器。用于感測分析物的分子相互作用包括不同的機(jī)制。其中之一是酶-底物相互作用。由于酶在與底物的反應(yīng)中具有很高的特異性和效率，因此可用于精確測定所需分析物的濃度?；谒z基質(zhì)中酶-底物相互作用的不同傳感器的例子很多，包括有機(jī)相醇，氨基酸，氨，尿素，葡萄糖，過氧化氫等的檢測。圖1-11在葡萄糖分子存在下水凝膠的溶脹使以受控方式釋放胰島素成為可能能夠響應(yīng)長期血糖升高，可在血糖水平升高并在適當(dāng)?shù)臅r間自動釋放一定劑量的胰島素的葡萄糖反應(yīng)性水凝膠是有前途的發(fā)展，可避免頻繁注射的需要，因此可提供更方便的治療方法選擇將改善億萬人民的治療功效和生活質(zhì)量。在葡萄糖分子存在下水凝膠的溶脹使以受控方式釋放胰島素成為可能。（圖1-11）基于抗體-抗原的傳感器是具有免疫化學(xué)反應(yīng)耦合的基于親和力的設(shè)備，是另一類分子相互作用組。這些傳感器的一般工作原理基于固定在換能器上的抗體（或抗原）對抗原（或抗體）的特異性免疫化學(xué)識別，該抗原（或抗體）產(chǎn)生依賴于分析物濃度的信號?？梢允褂檬⒕w微重力法（QCM），表面等離振子共振（SPR）或電化學(xué)方法來檢測分析物。還有其他一些基于分子相互作用的分析物感測實例，例如核苷酸，寡核苷酸，DNA等。另一組傳感元件是活體傳感器。它們是水凝膠與活細(xì)胞和微生物的組合，形成了用于生物傳感應(yīng)用的活細(xì)胞-聚合物復(fù)合材料。微生物可以檢測多種化學(xué)物質(zhì)，適合進(jìn)行基因改造，并且具有廣泛的pH和溫度范圍，使其成為生物傳感材料的理想選擇。3D結(jié)構(gòu)，高含水量和生物相容性是水凝膠的主要優(yōu)勢，它具有將細(xì)胞或細(xì)菌捕獲在其網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部的能力，使它們能夠以高速率交換氣體并滋養(yǎng)被捕獲的細(xì)胞，并以此方式提供了使用水凝膠的可能性。生物傳感器中的細(xì)胞聚合物復(fù)合材料。實例是使用ArxulaadeninivoransLS3作為用于廢水中的快速測定可生物降解的污染物的濃度對Clark型氧電極的生物識別元件[27]。在生物傳感器中使用水凝膠有兩種不同的方法：可以將水凝膠涂在電極等傳感設(shè)備的表面上，或用作3D基質(zhì)或支持物來維持生物元素。在水凝膠基質(zhì)中將細(xì)胞保存一定時間并進(jìn)行病原體感測是該組應(yīng)用的其他示例。（圖1-12）圖1-12水凝膠涂在電極等傳感設(shè)備的表面上1.7脊髓再生用可注射水凝膠脊髓損傷（SCI）是一個復(fù)雜的再生問題，因為在損傷臍帶組織后會出現(xiàn)多個生長抑制方面。這些損傷中有許多并沒有傷及硬腦膜，而且某些軸突仍在損傷部位還活著，可以康復(fù)。在這種情況下，通過外科手術(shù)將預(yù)制的框架或DDS插入受損的脊髓中可能會導(dǎo)致隨后的病變。該方法的一種替代方法是使用原位形成的支架。注射到受傷的臍帶區(qū)域后，發(fā)生的是粘彈性水凝膠從液體形式快速轉(zhuǎn)變?yōu)槟z，并適應(yīng)損傷部位的組織。脊髓組織與SCI之后形成的橫切部分之間的小空間將通過體內(nèi)將液態(tài)水凝膠轉(zhuǎn)化為凝膠形式而被填充。現(xiàn)在用作支架的凝膠將消除空余空間，并通過幫助細(xì)胞滲透和促進(jìn)基質(zhì)形成損傷的臍帶組織再生的模板。以這種方式，沒有必要為每個患者單獨(dú)地創(chuàng)建預(yù)成形支架和在損傷部位斷開活組織植入預(yù)形成的支架，這會導(dǎo)致進(jìn)一步的損害和損失的功能，將可避免。（圖1-13）圖1-13在受傷部位可注射水凝膠液態(tài)的可注射材料可以在輸送到損傷部位之前與細(xì)胞和其他治療劑均勻混合。凝膠支架的機(jī)械性能可以更緊密地匹配脊髓組織的性質(zhì)，相對于大多數(shù)預(yù)成型的生物材料的矩陣。根據(jù)注射系統(tǒng)的功能和設(shè)計參數(shù)，對注射系統(tǒng)的設(shè)計和使用有一些要求。其功能包括：創(chuàng)建用于細(xì)胞浸潤和軸突向內(nèi)生長的支架。凝膠材料本身將起到橋接病變部位的作用。整個凝膠化和釋放過程中藥物的封裝和生物活性的維持。注射系統(tǒng)可以將這些藥劑局部地持續(xù)且可調(diào)節(jié)地遞送至病變部位。注射前，整個固化過程中以及病變部位內(nèi)對懸浮細(xì)胞群的支持。與全身給藥相比，細(xì)胞療法在受傷部位局部遞送和維持更有效（圖1-14）。圖1-14細(xì)胞封裝和病變設(shè)計參數(shù)的重要性源自難以隔離交聯(lián)和大分子單體濃度依賴性材料特性（例如機(jī)械剛度，篩孔或孔徑，降解速率和生物活性配體密度）的影響。設(shè)計參數(shù)包括與損傷部位，溫和的凝固條件，合適的孔隙度的組織使用的材料的生物相容性和網(wǎng)格設(shè)計的支架的尺寸，凝膠材料，降解速率和生物活性力學(xué)性能?？勺⑸涞乃z可以是天然的或合成的，具有各自的優(yōu)點和缺點。它們也可以分為物理和化學(xué)凝膠。通常，物理水凝膠具有弱的機(jī)械性能的局限性。因此，化學(xué)和物理交聯(lián)的組合已被用來克服這一弱點。例如，PNIPAAm-甲基丙烯酸縮水甘油酯（GMA）和聚酰胺基胺（PAMAM）大分子單體經(jīng)歷了雙重硬化的物理和化學(xué)膠凝過程，并形成了PNIPAAm-甲基丙烯酸甲基丙烯酸縮水甘油酯（GMA）/聚酰胺基胺（PAMAM）可注射水凝膠[28]。注射式水凝膠系統(tǒng)具有微創(chuàng)性且對患者友好。細(xì)胞或生物活