黄泽宇 水凝胶材料

主讲人：黄泽宇,生物医用材料,目录,一. 水凝胶材料的定义 二. 水凝胶材料的分类 三. 水凝胶材料的制备工艺 四. 水凝胶材料的在医药研究进展,一 水凝胶材料的定义,胶是一种固体的、类似果冻的材料。这种材料可以很柔软，也可以很坚硬。凝胶是一种充分稀释的交联系统，在稳定状态下没有流动性。以重量计算，凝胶的主要成分是液体，但由于液体中的三维交联网络，凝胶在很多方面有着与固体相近的特性。-选自维基百科 水凝胶与体液、血液及人体组织相接触时均表现出了良好的生物相容性，它能将代谢产物排出而又不影响生命体的代谢过程。水凝胶在性质上类似于细胞外基质，比其它的合成生物材料更接近于生物体组织。此外，水凝胶吸水后能减少对周围组织的摩擦和机械作用，显著改善了材料的生物学性能。不少天然水凝胶和合成水凝胶因其良好的生物相容性、生物降解性、无毒性和易加工成型等特点，而被广泛应用于组织工程和再生医学。 简而言之，水凝胶材料就是一种有较高吸水率的吸水性树脂。由于水凝胶具备的吸水膨胀的性能，能够保有极大水量的同时不溶解，因此具有极佳的生物相容性，使得其在医用方面，特别是与人体组织接触方面具有极优良的应用前景。,纳米凝胶的网状结构,图片均来自网络,芦荟,图片均来自网络,二.水凝胶的种类,水凝胶按照制备的材料可以分为天然高分子水凝胶与合成高分子水凝胶. 天然的高分子水凝胶具有与天然细胞外基质相似的大分子性能，因而有较好的生物相容性，但同时也存在一些缺点：材料的机械强度较低性能的重复性较差、结构与性能可调范围较窄等，致使其在医学上的实际应用受到限制。常见的高分子水凝胶又可以分为多糖水凝胶和蛋白质水凝胶。主要的多糖水凝胶有壳聚糖、透明质酸、海藻酸等，多肽类水凝胶有胶原蛋白、明胶等。 合成高分子材料的优点是易于控制制备条件、生产的重复性好、通过简单的物理和化学改性能获得较为广泛的性能，从而满足不同的需要。但合成高分子材料亦有一些明显的缺点，如生物相容性较差、可用来制备水凝胶敷料的原料种类有限，用于制备医用的水凝胶无法去除毒性物质等。常用的合成离分子材料有聚乙二醇、聚乙稀醇、聚丙巧酸、聚乙巧化咯焼丽、聚甲基丙稀酸羟乙醋、聚己内醋、聚乳酸等。,部分参考自:多聚糖医用水凝胶敷料的制备和性能研究,按照水凝胶材料在医药上的应用，可以大致分为两类，一种是体内用水凝胶与体外用水凝胶。 体内用水凝胶通常是可植入体内的水凝胶材料，去要求植入创面小，通常是指可注射的水凝胶材料，注射进入人体的水凝胶随着体液，血液进入人体，水凝胶前驱体与细胞、生物活性物质反应将药物递送到需要治疗的部位。水凝胶具有极强的形状适应性，极小的注射创口却可以形成极大的作用面积。最近流行的纳米凝胶材料，以更小的尺寸进入人体，有些甚至可以口服进入人体（例如胃部），直接作用于人体。因此，体内用水凝胶常用于制备药物和基因载体，细胞传输载体和狙织工程支架等领域。 体外用水凝胶，通常是用创伤修复敷料，对比传统敷料，其能够与创口结合而不黏连，并且保持创面良好的透气性，使得创面环境不易滋生细菌。 医用水凝胶目前仍旧存在一些明显需要改善的缺点，例如难以控制给药速率，其结果是使得载药量大使得产生脱靶效应，生物机体受药物损伤。,部分内容参考：聚（啜嗤晰）、聚乙二醇在医用金属材料表面修饰及医用水凝胶制备中的应用,三.水凝胶的制备工艺,水凝胶的制备工艺在微观上都可以视为交联反应，按照产生交联的作用力可分为物理交联和化学交联。 水凝胶的物理交联是指通过物理作用力例如静电作用、氢键、链的缠绕等形成交联制备的水凝胶，其水凝胶的优点特点是无毒，易生物降解，制备方法简单，缺点是凝胶稳定性差，使得在医用特别是体内用水凝胶上，容易受到身体不同细胞环境，PH的影响而分解。 水凝胶的化学交联指在化学交联剂、引发剂的作用下，通过共价键将高聚物链结合成，优点是稳定性好，生产成本低。但是一般的化学交联合成容易造成引发剂、交联剂以及未反应的单体残留，而这些小分子的残留物质容易生命体的不良反应，导致合成的水凝胶材料生物相容性降低，因此不适合一些对生物安全性要求较高的应用领域。,内容参考：生物医用水凝胶材料的研究进展罗芳,四.水凝胶材料在医用上的研究热点,智能凝胶 智能水凝胶包括温敏性、p H敏感性、盐敏性、电场敏感、光敏感及压敏水凝胶。研究和发展具有多重响应功能的杂交型智能水凝胶成为这一领域的前沿。近几年智能凝胶在细胞培养基质、酶的活性控制、靶向给药等生物领域的应用日益增多。 香港科技大学通过基因编码的形式在培养皿制备出具有与人体高度切合的蛋白质纳米凝胶，用于治疗糖尿病。 目前，有人利用水凝胶制备一种新型的水凝胶绷带，用于治疗伤口，控制器给药的速率并与伤口实现较好的粘合性。 http:/baidu.iqiyi.com/watch/547949360471411992.html?&recFrom=site,血液相容性水凝胶材料 近年来，在对水凝胶材料抗血栓性研究中，发现具有微相分离结构的聚合物往往具有优良的血液相容性，因而引起人们极大的兴趣。例如在聚苯乙烯、聚甲基丙烯酸甲酯的结构中接枝上亲水性的甲基丙烯酸羟乙酯，当接枝共聚物的微区尺寸在2030 nm范围内时，就有优良的抗血栓性。在微相分离水凝胶材料中，国内外研究得最活跃的是聚醚型聚氨酯，或称聚醚氨酯。聚醚氨酯是一类线型多嵌段共聚物，宏观上表现为热塑性弹性体，具有优良的生物相容性和力学性能，因而引起人们广泛的重视。 抗凝血性其原理是生物膜的主要组成物质是脂质和蛋白质, 膜表面的脂质构成亲水区, 蛋白质构成疏水区, 因此, 生物膜为亲水区、疏水区镶嵌的微观非均相结构, 其血液相容性是最理想的。由此可能推知, 具有亲水一疏水微相分离结构的高分子材料最有可能用作血液相容性材料。,四.医用水凝胶的在医药上的应用,口腔上的应用 在口腔疾病中，软、硬组织都会有不同程度的缺损，需要种植体植入缺损部位加以修复，得到理想的组织形态和修复效果。鉴于水凝胶对肌细胞和神经细胞的亲和性，使其应用于口腔防护当中成为可能。,在医学美容上的应用 在美容上，将水凝胶材料作为体内填充物达到美容，改善形体仪态使得大量用于人体美容的填充物成为一个非常热门的研究方向。聚丙烯酰胺水凝胶（）一直被用于女性乳房整形和隆鼻等，但是在注射后约6.1年出现炎症，在年被禁止使用。现在，硅胶是应用于乳房整形最多填充物，但是却存在引发组织炎症的缺点。因此开发有效的替代材料成为必然。,在骨组织工程上的应用 骨组织的修复再生与替代，必须需要植入体快速的担负关节等结构的负荷作用、摩擦作用以及力学响应。多数研究表明传统材料未能完全达到植入体所需要的柔韧性和高弹性。Gong提出的“双重网络凝胶”（DN 凝胶）理论，将“硬而脆”和“软而韧”的高分子相互组合，使两者保持独立网络结构得到DN水凝胶，是可以与生物软骨相媲美的。,文献参考：水凝胶在医学领域应用研究进展,注入特定的水凝胶材料用于修复膝盖软骨，刺激长出糖胺聚糖,谢谢大家,文献参考 1刘松涛. 聚（2-噁唑啉）、聚乙二醇在医用金属材料表面修饰及医用水凝胶制备中的应用D.中国科学技术大学,2017. 2高欣. 多聚糖医用水凝胶敷料的制备和性能研究D.南京理工大学,2016. 3王薇,关国平,王璐. 生物医用水凝胶研究进展J. 生物医学工程学进展,2015,36(04):221-225. 4荆晶. 医用高性能水凝胶材料的合成工艺研究D.吉林大学,2015. 5隋志甫,赵志力,李华锋,石成方,杨蓉娅. 医用水凝胶在面部注射美容中的应用及临床疗效观察J. 实用皮肤病学杂志,2014,7(03):188-189. 6罗芳. 生物医用水凝胶材料的研究进展J. 广东化工,2011,38(08):104-105. 7王轶,张黎明. 医用高分子水凝胶的设计与合成J. 功能高分子学报,2004,(02):330-336. 8李贤真,李彦锋,朱晓夏,李柏年,刘刚. 高分子水凝胶材料研究进展J. 功能材料,2003,(04):382-385. 图片视频来源网络,