水凝胶材料简介

大部分生物由柔软且含水的凝胶组成，它们能够感知外界环境的刺激并做出实时、快速的响应。在所有的人造材料中，水凝胶是与生物组织最相似的材料，它们通常是由亲水性高分子经轻度交联而形成的高分子网络，其网络间隙存在着可以在网络中流动的水分子；同时一些小分子也可以在高分子网络中移动，进行信息和物质的传递。水凝胶能够提供模拟细胞外基质的微环境，可以对细胞行为和组织功能进行调控。近年来，基于合成或天然高分子的水凝胶在生物医用领域得到了广泛关注。例如，由聚甲基丙烯酸羟乙酯制备的隐形眼镜，由重组蛋白或白蛋白形成的用于外科手术黏合的生物黏合剂，由藻酸盐多糖制备的伤口敷料，由透明质酸形成的用于填充修复的水凝胶等，这些材料均被广泛应用于临床。水凝胶具有良好的生物相容性、易成型加工、形状大小可控等特点，在三维组织工程基质、药物载体、生物复合材料等生物医学工程领域具有广泛的应用前景。

根据水凝胶的来源，其可以分为天然高分子水凝胶及合成型高分子水凝胶两类。天然高分子水凝胶主要由天然高分子材料形成，包括胶原、明胶、纤维蛋白、壳聚糖、海藻酸钠、透明质酸、硫酸软骨素、琼脂糖等。这类水凝胶的组成与结构类似于天然细胞外基质，具有良好的生物相容性、生物可降解性等；但是其力学性能普遍较低，难以满足承受组织修复的力学要求。合成型高分子水凝胶主要由合成高分子材料交联形成，如聚乙二醇、聚乙烯醇、聚甲基丙烯酸羟乙酯、聚丙烯酰胺、聚丙烯酸及其衍生物。合成型高分子水凝胶通常具有较高的力学性能，且结构和性能可控，重复性好，但由于缺乏生物学功能，其生物相容性相对较差，因此其应用也受到一定的限制。(https://www.daowen.com)

根据水凝胶的交联方式，水凝胶可以分为物理交联型水凝胶和化学交联型水凝胶两类。物理交联型水凝胶由高分子链通过物理相互作用（如链缠绕）或超分子弱相互作用（如静电作用、氢键等）形成。形成物理交联型水凝胶的反应条件温和、无需化学交联剂。然而，该种水凝胶中的交联是非永久性的，因此当外界环境（如pH、温度、离子浓度等）变化时，水凝胶可能会发生解离。化学交联型水凝胶通过自由基聚合反应、辐射、紫外线照射、化学引发与酶交联等方式使高分子链之间形成稳定的共价键来构建水凝胶网络。相比于物理交联型水凝胶，共价键交联使化学交联型水凝胶力学性能明显提高。然而，共价交联过程中残留的化学交联剂、有机溶剂、引发剂等可能会引起细胞毒性，因此化学交联型水凝胶的后处理显得尤为重要（见扩展阅读3）。