溫 馨 李艷艷 張 劍

山西大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院，山西太原，030001

1 概論

1.1 定義

微凝膠（microgel）是一種具有高分散性和大比表面積的凝膠材料，其特點(diǎn)是顆?；蚶w維的尺寸范圍通常在納米到微米級(jí)別之間；通常由聚合物或膠體顆粒形成，通過調(diào)節(jié)制備條件和原料成分，可以控制微凝膠的尺寸、形狀和孔隙結(jié)構(gòu)，從而調(diào)節(jié)其物理化學(xué)性質(zhì)和功能。

微凝膠結(jié)合了散裝水凝膠特征，如柔軟性和生物相容性。第一個(gè)報(bào)道的微凝膠是由聚苯乙烯與二乙烯基苯交聯(lián)并被苯膨脹而成的，是Staudinger在1935年制備的[1-2]。1986年由Pelton和Chibante首次報(bào)道了水溶脹微凝膠[3]，近20年來得到了迅速地發(fā)展。微凝膠的典型尺寸范圍在幾十納米到幾百微米之間；因此，它們表現(xiàn)出布朗運(yùn)動(dòng)和對(duì)外界刺激的快速刺激反應(yīng)，正如Tanaka Fillmore方程所描述的那樣[4]。與傳統(tǒng)的固體膠體粒子如聚苯乙烯、二氧化硅（SiO2）等相比，微凝膠由于水化高分子鏈段的空間排斥力而具有較高的膠體穩(wěn)定性，因此它們可以在高離子強(qiáng)度和密集堆積的條件下使用，在這些條件下，可變形的微凝膠相互壓縮[5]。由于這些優(yōu)良的特性，微凝膠有望在許多應(yīng)用中發(fā)揮作用，例如藥物輸送系統(tǒng)的載體、細(xì)胞支架[6]、傳感器[7]、分子分離[8-10]、催化劑[11]、乳化劑[12-13]、能量轉(zhuǎn)換材料[14-15]、玻璃[16-19]、晶體[20-21]和血細(xì)胞模型系統(tǒng)[22-25]。

1.2 結(jié)構(gòu)特征

微凝膠的結(jié)構(gòu)組成通常由連續(xù)的凝膠相和孔隙相組成。

凝膠相是微凝膠的連續(xù)相，通常由聚合物網(wǎng)絡(luò)或膠體顆粒形成。凝膠相可以是天然或合成的聚合物，如聚丙烯酸、聚乙烯醇、明膠等；或者是膠體顆粒，如二氧化硅、氧化鐵等。凝膠相的選擇取決于所需的性質(zhì)和應(yīng)用。

孔隙相是微凝膠中的空隙區(qū)域，通常由液體或氣體填充?？紫断嗫梢允撬?、有機(jī)溶劑或氣體等，具體選擇取決于制備和使用微凝膠的條件。孔隙相的存在為物質(zhì)的擴(kuò)散和交換提供了通道，為微凝膠的吸附、儲(chǔ)存和釋放等性能提供條件。

微凝膠的尺寸范圍通常在納米到微米級(jí)別之間，具體取決于制備方法和條件。微凝膠可以具有球形、纖維狀、片狀等形態(tài)，形態(tài)的選擇也會(huì)對(duì)其性質(zhì)和應(yīng)用產(chǎn)生影響。

微凝膠的表面通常具有一定的特性和功能。表面特性可以通過表面修飾和功能化來實(shí)現(xiàn)，如引入化學(xué)基團(tuán)、添加生物活性分子或控制表面電荷等。表面特性的調(diào)控可以影響微凝膠的相互作用、穩(wěn)定性和應(yīng)用性能。

1.3 分類

根據(jù)微凝膠分子內(nèi)部交聯(lián)密度的不同，微凝膠可以分為剛性微凝膠和柔性微凝膠兩類：交聯(lián)密度越高，微凝膠硬度越高；反之，微凝膠越柔軟，越趨向于線型聚合物。根據(jù)分子內(nèi)部及表面有無反應(yīng)性基團(tuán)，微凝膠又可以分為反應(yīng)性微凝膠和非反應(yīng)性微凝膠兩類，其中以反應(yīng)性微凝膠的研究最為活躍，應(yīng)用最為廣泛。反應(yīng)性微凝膠常見活性基團(tuán)有雙鍵、羥基、羧基、氨基和環(huán)氧基等。

根據(jù)材料類型，由聚合物形成的微凝膠，如聚丙烯酸酯、聚乙烯醇等，被稱為聚合物微凝膠；由納米顆粒組成的微凝膠被稱為納米顆粒微凝膠，如二氧化硅、氧化鐵等；天然材料形成的微凝膠為天然物質(zhì)微凝膠，如明膠、藻酸鹽等。

根據(jù)形態(tài)特征可將微凝膠分為球形微凝膠、纖維狀微凝膠、片狀微凝膠。

另外，還可以根據(jù)應(yīng)用領(lǐng)域?qū)⑵浞诸悾缥椒蛛x微凝膠、藥物傳遞微凝膠、組織工程微凝膠。

2 制備方法

微凝膠的制備方法較多，常見的有溶液聚合、乳液聚合、懸浮聚合和沉淀聚合等，聚合反應(yīng)大多為自由基聚合，也有通過陰離子聚合制備微凝膠的方法。

2.1 溶液聚合

溶液聚合是將單體和自由基引發(fā)劑溶于適當(dāng)溶劑中在溶液狀態(tài)下進(jìn)行的聚合反應(yīng)?？刹捎眠B續(xù)法和間歇法生產(chǎn)。聚合產(chǎn)生成的聚合物溶于溶劑的叫“均相溶液聚合”；聚合物不溶于溶劑的稱為“非均相溶液聚合”或“沉淀聚合”。溶液聚合在高分子材料工業(yè)同樣占有重要地位，化學(xué)纖維產(chǎn)品中，聚丙烯腈、聚乙酸乙烯酯是采用溶液聚合生產(chǎn)的，也用該法生產(chǎn)涂料和黏合劑。

2.2 乳液聚合

乳液聚合法是一種常用的聚合方法，它的主要特征是在水相中形成一個(gè)含有多個(gè)單體的連續(xù)有機(jī)相。在乳液聚合工藝中，單體經(jīng)自由基聚合法或其他聚合機(jī)制發(fā)生化學(xué)反應(yīng)而生成高分子聚合物。表面活性劑在乳液聚合中起到關(guān)鍵的作用，是使它們能夠使單體在水相中形成穩(wěn)定的分散體系，并且能夠調(diào)控乳液的粒徑和穩(wěn)定性。

2.2.1 微乳液聚合

微乳液是由油、水、乳化劑和助乳化劑組成的各向同性、熱力學(xué)穩(wěn)定的透明或半透明膠體分散體系，其分散相尺寸為納米級(jí)，比可見光的波長(zhǎng)短。根據(jù)體系中油水比例及其微觀結(jié)構(gòu)，可將微乳液分為3種，即正相（O/W）微乳液、反相（W/O）微乳液和中間態(tài)的雙連續(xù)相微乳液。1980年Stoffer等[26]首先以微乳液為介質(zhì)進(jìn)行了微乳液聚合研究，從而開辟了一個(gè)嶄新的領(lǐng)域。

法國(guó)Candau等[27-28]主要從事水溶性單體的微乳液聚合研究。他們最初使用雙（2-乙基己酯）琥珀磺酸鈉（AOT）作乳化劑[29-30]，對(duì)丙烯酰胺微乳液聚合的機(jī)制進(jìn)行了研究。首先揭示了微乳液聚合的許多重要特征，如連續(xù)成核，每個(gè)粒子內(nèi)只有幾個(gè)聚合物鏈等。借助于內(nèi)聚能比（CER）概念[31-32]，研究者成功地對(duì)聚合體系進(jìn)行了優(yōu)化，使得體系內(nèi)的單體含量大幅度提高到20%左右，并在此體系中研究了多種水溶性單體的均聚和共聚行為[33-34]。

2.2.2 無皂乳液聚合

無皂乳液聚合法在制備單分散性良好的聚合物微球方面具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)[35-36]。無皂乳液聚合是指在聚合反應(yīng)過程中不加入乳化劑，或加入濃度低于臨界膠束濃度的微量乳化劑的乳液聚合過程，該工藝生產(chǎn)成本低、合成過程簡(jiǎn)單、后處理簡(jiǎn)潔，所制備的微球表面潔凈、粒徑均勻[37-38]。

洪秀秀[39]利用無皂乳液聚合法，通過水浴加熱的方法，制備出具有良好分散性的聚苯乙烯（PS）微球，發(fā)現(xiàn)微球粒徑會(huì)隨著單體用量和反應(yīng)體系離子強(qiáng)度的增大而增大，隨著引發(fā)劑濃度的增加而降低，并且會(huì)隨聚合溫度的上升而先增大后降低。李玉等[40]通過加入微量乳化劑或β-環(huán)糊精對(duì)無皂乳液聚合法進(jìn)行了改進(jìn)，制備出粒徑在300 nm左右的單分散聚苯乙烯（PS）微球，指出β-環(huán)糊精的加入可大幅縮短反應(yīng)時(shí)間。

2.3 懸浮聚合

懸浮聚合是一種聚合反應(yīng)的類型，單體以固體顆粒的形式懸浮在連續(xù)的液體介質(zhì)中，而不是形成液滴或液滴顆粒。懸浮聚合可以用于制備具有特定形狀和粒徑的聚合物微球或顆粒。

懸浮聚合體系一般有單體、引發(fā)劑、水、分散劑四個(gè)基本組分。懸浮聚合體系是熱力學(xué)不穩(wěn)定體系，需通過攪拌，并借助分散劑維持穩(wěn)定。在攪拌剪切作用下，溶有引發(fā)劑的單體分散成小液滴，懸浮于水中引發(fā)聚合。不溶于水的單體在強(qiáng)力攪拌作用下，被粉碎成不穩(wěn)定的小液滴，隨著反應(yīng)的進(jìn)行，分散的液滴又可能凝結(jié)成塊，因此體系中須加入分散劑來防止粘結(jié)。懸浮聚合產(chǎn)物的顆粒尺寸一般在0.05～0.20 mm。其形狀、大小隨攪拌強(qiáng)度和分散劑的性質(zhì)而定。

2.4 沉淀聚合

沉淀聚合是一種常用的制備單分散納米凝膠的合成方法[41-42]，它是將單體和引發(fā)劑混合，在均相溶液中引發(fā)聚合。由于選擇性反應(yīng)介質(zhì)溶解度低，將生成的聚合鏈從連續(xù)相中沉淀出來，然后形成均勻顆粒。與乳液聚合[43]等方法不同，沉淀聚合[44]可以制備不含任何表面活性劑或穩(wěn)定劑的聚合物納米凝膠。

沉淀聚合方法是由Stover等在1993年提出[45]，用乙腈作為溶劑，合成二乙烯基苯（DVB）、DVB-苯乙烯（St）兩種單分散高分子微球，還合成了DVB與其他單體（如丙烯酸類單體、氯甲基苯乙烯等）的共聚物微球，在此基礎(chǔ)上他們提出了一種不需要穩(wěn)定劑和表面活性劑就能制備出單分散性微球的新方法。

2.4.1 蒸餾沉淀聚合

然而，傳統(tǒng)的沉淀聚合很難制備出球形明確、粒徑分布窄的親水性聚合物顆粒。因此，蒸餾沉淀聚合（DPP）被開發(fā)，從而實(shí)現(xiàn)有效制備親水性聚合物顆粒；DPP與常規(guī)沉淀聚合的區(qū)別在于聚合過程中溶劑的蒸餾。DPP的典型裝置是一個(gè)帶有分餾柱、李比希冷凝器和用于收集蒸餾溶劑的接收器的雙頸燒瓶。

蒸餾沉淀聚合法的基本原理是將單體加入反應(yīng)器中，加入適量的溶劑和催化劑，進(jìn)行加熱蒸餾，使單體蒸發(fā)到頂部，然后在頂部冷凝成為液體，最后沉淀到反應(yīng)器底部形成高分子。這種方法的反應(yīng)條件相對(duì)溫和，不需要高溫高壓，從而可以有效避免高溫高壓帶來的安全隱患。

2.4.2 回流沉淀聚合

蒸餾沉淀聚合（DPP）作為改性沉淀聚合的一種，在蒸餾狀態(tài)下經(jīng)歷反應(yīng)條件，形成聚合物顆粒[46-48]。為解決蒸餾過程中偶有導(dǎo)致分散體系不穩(wěn)定的問題，有課題組以回流反應(yīng)裝置代替蒸餾反應(yīng)裝置，實(shí)現(xiàn)了回流沉淀聚合（RPP）[45-50]。在聚合過程中，具有臨界鏈長(zhǎng)的聚合物能夠形成定義良好的聚合物納米凝膠，并從劣質(zhì)溶劑中析出而不黏附在反應(yīng)瓶?jī)?nèi)壁上。在這種情況下，RPP方法可能是制備納米凝膠的一種優(yōu)越的合成方法，因?yàn)樗哂懈叩哪z體穩(wěn)定性和理想的反應(yīng)效率[50]。此外，由于反應(yīng)裝置和聚合過程簡(jiǎn)單，RPP易于擴(kuò)大規(guī)模。作為一種無需任何表面活性劑即可制備具有均勻結(jié)構(gòu)和尺寸的納米凝膠的有效方法，近年來人們對(duì)使用RPP制備功能納米或微凝膠的興趣越來越大（圖1）。

圖1 制備氧化還原/pH雙刺激響應(yīng)的可生物降解聚乙二醇化聚甲基丙烯酸（PMAA）納米凝膠用于雙重藥物負(fù)載[51]

3 應(yīng)用

微凝膠是具有凝膠性質(zhì)的微小顆粒或微球，其尺寸通常在納米到微米級(jí)別。由于其特殊的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)，微凝膠在各個(gè)領(lǐng)域都有廣泛的應(yīng)用。

3.1 化妝品和洗滌護(hù)理產(chǎn)品

微凝膠被廣泛應(yīng)用于化妝品和洗滌護(hù)理產(chǎn)品中。它們可以用作穩(wěn)定劑、控釋劑等，提供更好的質(zhì)地和效果。微凝膠還可以用于調(diào)整顏色、提供光學(xué)效果和改善皮膚感受。

香精香料行業(yè)是一個(gè)日益成熟的全球性化工行業(yè)部門。香料被添加到各類消費(fèi)品中，如個(gè)人護(hù)理產(chǎn)品、香水、織物柔軟劑、肥皂、洗滌劑等，散發(fā)氣味，從而提高芳香化學(xué)品的作用效率。例如把一種含有不同分子的香味混合物，包封在二氧化硅粒子中，就會(huì)使香味的輪廓發(fā)生明顯的變化。除此之外，在液體洗滌劑中，通過制備性能優(yōu)良的高分子聚合物微膠囊來包裹酶，制備出高效的洗滌劑微球，能夠提高其穩(wěn)定性，從而釋放并發(fā)揮作用。

包裹洗衣凝珠的水溶膜主要成分是聚乙烯醇（PVA），聚乙烯醇膜是綠色環(huán)保材料，由于韌性大、透明度高、阻隔性強(qiáng)及保香性強(qiáng)、水溶性好等優(yōu)良性能，被廣泛應(yīng)用于洗滌行業(yè)。

3.2 醫(yī)藥領(lǐng)域

3.2.1 藥物傳遞

微凝膠可以作為藥物傳遞系統(tǒng)的載體。藥物被包裹在微凝膠內(nèi)部，通過控制微凝膠的釋放速率和靶向性，實(shí)現(xiàn)藥物的緩釋和靶向輸送，提高治療效果和減少副作用。

Jiang等[52]以N,N'-二甲基丙烯酰胱氨酸（NDMCC）為交聯(lián)單體，在乙醇中采用蒸餾-沉淀聚合法設(shè)計(jì)并制備了新型交聯(lián)水凝膠。該凝膠不僅交聯(lián)密度高，而且在水溶液中具有良好的穩(wěn)定性。凝膠可負(fù)載多柔比星等陽離子藥物，載藥量高（48.3%），載藥效率高（93.4%）。此外，多柔比星的釋放結(jié)果表明，在DTT/GSH的存在下，多柔比星的釋放速度可以顯著加快，揭示了凝膠作為還原觸發(fā)藥物釋放系統(tǒng)的巨大潛力。

3.2.2 組織工程

微凝膠在組織工程和再生醫(yī)學(xué)中具有重要應(yīng)用。微凝膠可以提供支架結(jié)構(gòu)和生物相容性，用于細(xì)胞培養(yǎng)、組織工程和人工器官的構(gòu)建。它們可以提供細(xì)胞定植的環(huán)境，促進(jìn)細(xì)胞增殖和分化。

模擬生物細(xì)胞外基質(zhì)（ECM）的水凝膠可以為細(xì)胞提供機(jī)械支持和信號(hào)線索，從而調(diào)節(jié)其行為。然而，盡管水凝膠具有產(chǎn)生可調(diào)節(jié)細(xì)胞行為的人工ECM的能力，但它們通常缺乏許多組織構(gòu)建體所需的機(jī)械強(qiáng)度。Shin等[53]提出了增強(qiáng)碳納米管明膠甲基丙烯酸酯（GelMA）雜合物作為生物相容性、細(xì)胞響應(yīng)性水凝膠平臺(tái)，用于創(chuàng)建細(xì)胞負(fù)載的三維（3D）構(gòu)建體（圖2）。添加碳納米管（CNT）成功地增強(qiáng)了GelMA水凝膠，而不會(huì)降低其孔隙率或抑制細(xì)胞生長(zhǎng)，NIH-3T3細(xì)胞和人間充質(zhì)干細(xì)胞（hMSCs）在CNT中封裝后易于鋪展和增殖GelMA混合微凝膠。

圖2 GelMA涂層碳納米管的示意圖(a)，以及裸碳納米管(b)和GelMA涂層碳納米管(c)的HRTEM圖像[53]

3.3 食品工業(yè)中微凝膠技術(shù)的應(yīng)用

微凝膠在食品工業(yè)中具有多種應(yīng)用。它們可以用于改善食品的質(zhì)地和穩(wěn)定性，增加口感和延長(zhǎng)保鮮期。除此之外，微凝膠還可以用于食品添加劑、調(diào)味品、乳化劑和穩(wěn)定劑等。

微凝膠不僅適合于水溶性功能因子的固定，還可用于脂溶性物質(zhì)的包埋，并且在包埋率和載量方面表現(xiàn)良好，顯著提高了生物活性物質(zhì)在各種環(huán)境中的穩(wěn)定性。海藻酸鈉、幾丁質(zhì)等聚合物具有良好的生物相容性，但無法為人體內(nèi)消化酶所降解，適合用于益生菌、花青素等功能因子的定向（結(jié)腸）釋放。以蛋白質(zhì)為原料的填充微凝膠，脂溶性功能物質(zhì)在胃消化過程中具有較高的抗性，但能夠在小腸中實(shí)現(xiàn)完全的釋放[54]。

以微凝膠為功能物質(zhì)的載體，顯著改善了脂溶性生物活性物質(zhì)和水溶性生物活性物質(zhì)在水中的分散性和化學(xué)穩(wěn)定性，拓寬了功能因子在食品中的應(yīng)用。

3.4 傳感器

由于微凝膠具有可調(diào)控的物理、化學(xué)性質(zhì)和大比表面積，它們可以用作傳感器的傳感元件。微凝膠可以用于檢測(cè)溫度、pH值、離子濃度和分子生物學(xué)標(biāo)記物等，廣泛應(yīng)用于生物傳感器、環(huán)境監(jiān)測(cè)和醫(yī)學(xué)診斷等領(lǐng)域。

吳佳敏等[55]以CMC-PAA微凝膠為增強(qiáng)劑，AM為單體，N,N′-亞甲基雙丙烯酰胺（MBA）為交聯(lián)劑，通過兩步法紫外引發(fā)聚合制備了一種雙網(wǎng)絡(luò)交聯(lián)聚丙烯酰胺水凝膠（DN-CMC-PAA/PAAm）?；趶?fù)合水凝膠的透明可穿戴應(yīng)變傳感器具有良好的應(yīng)變靈敏度（GF＝9.01），較寬的應(yīng)變傳感范圍（0～800%）及優(yōu)異的耐久性和重現(xiàn)性（1000次循環(huán)），可以用來實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和記錄大型和細(xì)微的人體運(yùn)動(dòng)，如手指、手腕，肘關(guān)節(jié)彎曲，吞咽和發(fā)音等。

3.5 化學(xué)分離和催化

微凝膠的高比表面積和多孔結(jié)構(gòu)使其在化學(xué)分離和催化過程中具有很大的優(yōu)勢(shì)。微凝膠可以用作吸附劑、催化劑載體和分離介質(zhì)，用于分離和純化化學(xué)物質(zhì)、催化反應(yīng)和催化劑回收等。

桑吉龍[56]以水凝膠為模板，原位合成Fe3O4納米酶復(fù)合水凝膠，在催化氧化TMB，苯酚和H2O2的檢測(cè)以及苯酚的羥基化反應(yīng)中，表現(xiàn)出了較好的催化活性。通過改變水凝膠上的功能基團(tuán)（－COOH，HSO3—等）以及引入溫敏性單體（NIPAM），一定程度上提高了Fe3O4納米酶復(fù)合水凝膠對(duì)底物的親和力、催化活性和對(duì)產(chǎn)物的選擇性。

4 結(jié)論

微凝膠是一種具有高分散性和高比表面積的凝膠材料，其顆?；蚶w維的尺寸范圍通常在納米到微米級(jí)別之間。常見的制備方法有溶液聚合、乳液聚合、懸浮聚合和沉淀聚合等，因其獨(dú)特的結(jié)構(gòu)特性，已成為近年來研究的熱點(diǎn)問題之一。目前已有從聚合物科學(xué)、物理化學(xué)、膠體化學(xué)等有關(guān)角度探索而建立了相應(yīng)的基礎(chǔ)理論，并且被廣泛應(yīng)用于日化、材料、醫(yī)藥等行業(yè)。

盡管微凝膠在多個(gè)領(lǐng)域具有很大的開發(fā)潛力，但也存在一定劣勢(shì)，例如，高質(zhì)量微凝膠的制備方法較為復(fù)雜多變，這可能會(huì)提高行業(yè)生產(chǎn)的成本，也需要很高的技術(shù)門檻；某些微凝膠會(huì)響應(yīng)某些特定的條件（pH值、溫度、離子濃度等），響應(yīng)型微凝膠的設(shè)計(jì)和應(yīng)用可以提高材料的智能性和可控性，但對(duì)其應(yīng)用范圍有諸多限制；盡管有些微凝膠可用于生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，但并非都具備良好的生物相容性，某些材料可能引發(fā)免疫反應(yīng)或其他不良反應(yīng)；諸多微凝膠的制備、生產(chǎn)、應(yīng)用及處理等環(huán)節(jié)可能會(huì)產(chǎn)生有害物質(zhì)，使得微凝膠在環(huán)境方面可能存在潛在的問題，需要通過合適的監(jiān)督和管理，以及技術(shù)創(chuàng)新，降低對(duì)環(huán)境的不利影響，最大限度地實(shí)現(xiàn)其應(yīng)用潛力。

相信在未來的研究中，隨著學(xué)者對(duì)溶液反應(yīng)機(jī)制、凝膠微結(jié)構(gòu)等基礎(chǔ)研究工作的不斷深入與探索，其研究進(jìn)展將邁向更高的臺(tái)階。