水凝膠是一種具有出色吸水性能的材料，由水和高分子聚合物網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成，日常生活中常見(jiàn)的水凝膠有涼粉、冰粉等。水凝膠不僅能作為藥物傳遞的載體和釋放系統(tǒng)，還可用于生物傳感器、組織工程、再生醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域，是一種功能多樣、前景廣闊的材料。

水凝膠的結(jié)構(gòu)和發(fā)展歷史

水凝膠是一種可以吸水并保存水分的凝膠，由極為親水的高分子聚合物組成三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。這些聚合物能夠與水形成氫鍵，水凝膠的高度可吸水性就是由其多孔結(jié)構(gòu)和高度交聯(lián)的聚合物網(wǎng)絡(luò)所決定的[1]。當(dāng)處于干燥環(huán)境時(shí)，水凝膠呈硬而脆性的狀態(tài)。但當(dāng)接觸到水時(shí)，它可以迅速吸收水分，并形成一種類似凝膠的柔軟態(tài)，繼而保存大量的水分。

水凝膠的三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)是一種高度有序的構(gòu)架，能夠容納大量水分子并保持其穩(wěn)定性。三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的形成依賴于聚合物鏈之間的交聯(lián)，這些交聯(lián)點(diǎn)將不同的聚合物鏈連接在一起，形成一個(gè)緊密的結(jié)構(gòu)。交聯(lián)的聚合物鏈之間會(huì)形成許多微小的孔隙，這些孔隙可以容納大量的水分子?？紫兜拇笮『头植紝?duì)吸水性能和凝膠的性質(zhì)有重要影響。

根據(jù)原材料來(lái)源不同，水凝膠可以分為天然水凝膠和合成水凝膠。天然水凝膠，如瓊脂、明膠等通常來(lái)源于植物多糖、蛋白質(zhì)等天然高分子，而合成水凝膠，如聚丙烯酸鈉凝膠等則主要通過(guò)聚合反應(yīng)制備而成[2]。

天然水凝膠材料的應(yīng)用歷史悠久[3]。20世紀(jì)初，早期用于制備食品、藥物和化妝品的水凝膠主要來(lái)源于天然材料，但當(dāng)時(shí)并沒(méi)有真正提出水凝膠的概念。水凝膠的概念于1960年代被正式提出，高分子化學(xué)的發(fā)展促進(jìn)了該領(lǐng)域的進(jìn)展，研究人員開(kāi)始合成具有高度吸水性的水凝膠。1968年，法國(guó)化學(xué)家首次合成了由聚合物網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成，并能夠吸收大量水分的水凝膠。

1970年代是水凝膠商業(yè)化應(yīng)用初期。醫(yī)用水凝膠被用作敷料，用于創(chuàng)面愈合和防止感染。同期，在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域被用于提高土壤保水能力和增加作物產(chǎn)量。1980年代，水凝膠開(kāi)始應(yīng)用于化妝品和個(gè)人護(hù)理產(chǎn)品。為了增加產(chǎn)品的保濕效果，許多護(hù)膚品和化妝品中均添加了水凝膠成分。1990年代，水凝膠被用作藥物傳遞系統(tǒng)，以及組織工程和再生醫(yī)學(xué)研究領(lǐng)域。

21世紀(jì)初，隨著納米技術(shù)和材料科學(xué)的進(jìn)步，研究人員開(kāi)始探索納米水凝膠的合成和應(yīng)用，以提高其性能和多功能性。近幾年，水凝膠的研究持續(xù)蓬勃發(fā)展，其合成方法、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和應(yīng)用技術(shù)均得到了不斷的改進(jìn)與創(chuàng)新，在吸水性、穩(wěn)定性、生物相容性等方面取得了顯著的進(jìn)展，成為多個(gè)領(lǐng)域的關(guān)鍵材料之一。新型水凝膠已被設(shè)計(jì)用于智能釋放、組織工程、生物傳感、環(huán)境治理等，應(yīng)用范圍不斷拓展。

水凝膠的應(yīng)用現(xiàn)狀

除了吸水和保水性能，水凝膠還具備引人注目的柔軟性和可塑性。聚合物鏈的交聯(lián)賦予了水凝膠良好的彈性和穩(wěn)定性，即使在吸收大量水分后也能保持其形狀和結(jié)構(gòu)穩(wěn)定。這使得水凝膠在吸水后能夠自由膨脹，從而獲得柔軟而富有彈性的質(zhì)感。這種特點(diǎn)賦予了水凝膠適應(yīng)各種形狀和表面的能力，使其能夠緊密貼合物體表面。同時(shí)由于其可塑性，水凝膠可以被塑造成多種形狀和尺寸，從而適應(yīng)各種應(yīng)用需求?？梢栽诓粨p失其結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的前提下，被設(shè)計(jì)成各種形態(tài)，如薄膜、顆粒、涂層等。基于水凝膠的結(jié)構(gòu)和特性，其在多個(gè)領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景和經(jīng)濟(jì)價(jià)值。

農(nóng)業(yè)領(lǐng)域

水凝膠可以作為一種土壤改良劑，添加到土壤中以提高土壤的保水能力。其吸水性能和保濕性能有助于保持土壤水分穩(wěn)定并提供持續(xù)的水分供應(yīng)[4-5]，進(jìn)而改善植物根系的生長(zhǎng)環(huán)境，促進(jìn)根系發(fā)育和營(yíng)養(yǎng)吸收。同時(shí)，還可以調(diào)節(jié)土壤溫度，保護(hù)植物根系免受極端溫度的傷害，提高作物的產(chǎn)量。

由于其高水吸附能力，水凝膠能夠?qū)⑺畠?chǔ)存和保持在根區(qū)域中，減少水的滲漏和蒸發(fā)，顯著減少農(nóng)業(yè)灌溉所需的水量。這有助于最大限度地利用水資源，從而實(shí)現(xiàn)節(jié)水效果。此外，水凝膠還可以與肥料結(jié)合使用，吸收和儲(chǔ)存肥料中的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，并在植物需要時(shí)釋放，從而減少肥料的流失和浪費(fèi)，有助于提高肥料利用率，減少環(huán)境污染，并降低生產(chǎn)成本。

醫(yī)療領(lǐng)域

水凝膠的高度吸水性和生物相容性使其成為藥物傳遞、傷口愈合和醫(yī)療器械潤(rùn)滑等領(lǐng)域的關(guān)鍵材料[6]。

在創(chuàng)傷敷料中的水凝膠可以吸收傷口分泌物，維持濕潤(rùn)環(huán)境，促進(jìn)傷口愈合。作為藥物的載體，水凝膠可通過(guò)漸進(jìn)釋放方式將藥物逐漸釋放到體內(nèi)，提高藥物療效并降低副作用。在生物傳感器領(lǐng)域，水凝膠的柔軟性和可塑性使其能夠與生物體表面良好貼合，用于監(jiān)測(cè)生理參數(shù)變化，如血糖濃度等。此外，在組織工程和再生醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，水凝膠還可用于制作生物相容的支架，促進(jìn)皮膚、軟骨、骨骼等組織的生長(zhǎng)和修復(fù)?？偟膩?lái)說(shuō)，水凝膠在醫(yī)療領(lǐng)域的多功能性和適應(yīng)性，使其成為創(chuàng)新醫(yī)療產(chǎn)品和治療方法的重要組成部分，為患者提供更好的治療選擇和健康護(hù)理方案。

個(gè)人護(hù)理領(lǐng)域

水凝膠的高度吸水性和保濕能力使其成為許多護(hù)理產(chǎn)品的關(guān)鍵成分，為用戶提供更舒適和有效的護(hù)理體驗(yàn)。在衛(wèi)生巾和成人尿布中，水凝膠被用作吸收層，能夠迅速吸收液體并將其鎖定，保持表面干爽，提供長(zhǎng)時(shí)間的保護(hù)。此外，水凝膠還廣泛應(yīng)用于濕紙巾、護(hù)膚品中，其柔軟性和可塑性使其能夠與肌膚貼合，為用戶提供柔軟的觸感和溫和的保濕效果。在化妝品領(lǐng)域，水凝膠作為一種保濕劑和稠化劑，可以提升化妝品的質(zhì)地和延展性。

其他領(lǐng)域

在涂料領(lǐng)域，水凝膠可以用作增稠劑，改善涂料的流動(dòng)性和黏度，提高涂布效果和涂層質(zhì)量。同時(shí)，還可以控制涂料的分散性，防止顏料的沉積和分離。在環(huán)境保護(hù)領(lǐng)域，水凝膠還可用作水處理劑，幫助去除水中的污染物和雜質(zhì)。在紡織品領(lǐng)域，可用于制備功能性纖維，賦予纖維吸濕、保濕、抗菌等性能。

總體而言，水凝膠作為多功能材料，在不同領(lǐng)域中的應(yīng)用不斷拓展，為各行各業(yè)帶來(lái)創(chuàng)新性解決方案，不斷提升產(chǎn)品性能和用戶體驗(yàn)。

水凝膠發(fā)展的未來(lái)方向及挑戰(zhàn)

水凝膠研究正朝著更智能、多功能、可持續(xù)和生物醫(yī)學(xué)導(dǎo)向的方向發(fā)展，這些趨勢(shì)將進(jìn)一步推動(dòng)其在多個(gè)領(lǐng)域的創(chuàng)新應(yīng)用和發(fā)展。

研究人員正致力于開(kāi)發(fā)不同類型的水凝膠材料：能夠?qū)ν饨绱碳せ颦h(huán)境變化，如溫度、pH、離子濃度等產(chǎn)生響應(yīng)的水凝膠，可以用于智能藥物釋放、可控釋放等應(yīng)用[7]；利用納米技術(shù)制備出的具有更大比表面積和更優(yōu)異性能的納米水凝膠，在藥物傳遞、組織工程等方面將有著廣泛的應(yīng)用前景[8]；開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)可降解的水凝膠材料，對(duì)于一次性使用的產(chǎn)品以及環(huán)境保護(hù)至關(guān)重要；受到生物體內(nèi)結(jié)構(gòu)的啟發(fā)，設(shè)計(jì)具有與生物體組織類似結(jié)構(gòu)和性能的水凝膠，可實(shí)現(xiàn)更好的生物相容性和生物醫(yī)學(xué)性能；將水凝膠與其他材料進(jìn)行結(jié)合，可以賦予其特定的功能，如導(dǎo)電性、抗菌性、光學(xué)性能等，拓展其應(yīng)用范圍；結(jié)合生物可降解水凝膠技術(shù)，利用可再生資源，采用綠色合成方法和低能耗設(shè)備制備的可循環(huán)利用水凝膠等。

目前，水凝膠研究已經(jīng)涉及多個(gè)學(xué)科領(lǐng)域，如材料科學(xué)、化學(xué)、生物學(xué)、醫(yī)學(xué)等?？鐚W(xué)科研究可以促進(jìn)新材料的創(chuàng)新和應(yīng)用，例如通過(guò)計(jì)算模擬和AI迭代方法，可以更好地理解水凝膠的結(jié)構(gòu)與性能關(guān)系，從而指導(dǎo)新型水凝膠的設(shè)計(jì)和優(yōu)化。

盡管水凝膠研究蓬勃發(fā)展，其應(yīng)用仍面臨著一些挑戰(zhàn)和限制[9]。①水凝膠的機(jī)械性能：盡管水凝膠在吸水性和保水性方面表現(xiàn)出色，但其機(jī)械性能較差，容易發(fā)生破裂或變形，限制了其在某些領(lǐng)域的應(yīng)用范圍；②水凝膠的生物安全性：水凝膠的生物相容性和安全性在醫(yī)療和生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用中備受關(guān)注，一些材料可能會(huì)引發(fā)過(guò)敏反應(yīng)或毒性反應(yīng)；③水凝膠的控釋性能：水凝膠的釋放和控制存在挑戰(zhàn)，特別是在藥物傳遞領(lǐng)域，需要精確控制藥物的釋放速率和釋放量；④水凝膠的降解能力：一些水凝膠可能難以降解，對(duì)環(huán)境造成潛在影響；⑤水凝膠的應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范：在醫(yī)療和食品領(lǐng)域涉及嚴(yán)格的法規(guī)和標(biāo)準(zhǔn)，因此水凝膠需要滿足嚴(yán)格的要求以確保其對(duì)人體無(wú)毒害作用。

為了克服水凝膠在應(yīng)用中面臨的挑戰(zhàn)，研究人員需要綜合運(yùn)用多種策略和創(chuàng)新方法。首先，針對(duì)機(jī)械性能不足的問(wèn)題，可以通過(guò)添加增強(qiáng)材料、優(yōu)化交聯(lián)結(jié)構(gòu)以及設(shè)計(jì)多層復(fù)合結(jié)構(gòu)等方式來(lái)增強(qiáng)水凝膠的強(qiáng)度和穩(wěn)定性[10]。其次，在生物相容性和安全性方面，可以通過(guò)選擇合適的原材料、表面修飾以及進(jìn)行嚴(yán)格的生物毒性評(píng)估來(lái)確保水凝膠的生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用安全可靠。再次，在釋放控制方面，可以利用納米技術(shù)、多孔結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)等手段來(lái)實(shí)現(xiàn)更精確的藥物釋放。從次，在環(huán)境友好性方面，應(yīng)考慮使用可降解的聚合物材料，或者探索經(jīng)過(guò)設(shè)計(jì)的可回收再利用的水凝膠材料，以減少對(duì)環(huán)境的影響。最后，在成本問(wèn)題方面，可以通過(guò)改進(jìn)制備工藝、選擇成本較低的原材料以及提高生產(chǎn)規(guī)模來(lái)降低水凝膠的制備成本。另外，跨學(xué)科合作也是解決這些挑戰(zhàn)的重要手段，不同領(lǐng)域的專家可以共同合作，匯集各自的知識(shí)和技術(shù)，從而更好地解決水凝膠應(yīng)用中的復(fù)雜問(wèn)題。

結(jié) 語(yǔ)

水凝膠作為材料科學(xué)中的一項(xiàng)重要成果，展現(xiàn)出令人矚目的潛力和廣泛的應(yīng)用價(jià)值。其獨(dú)特的分子結(jié)構(gòu)和優(yōu)異的性能，如高度吸水性、生物相容性、可塑性和穩(wěn)定性，使其在多個(gè)領(lǐng)域具有革命性的影響。在醫(yī)學(xué)、環(huán)境保護(hù)、農(nóng)業(yè)和個(gè)人護(hù)理等領(lǐng)域，隨著材料科學(xué)不斷演進(jìn)，水凝膠為材料工程師和研究人員提供了一個(gè)寶貴的平臺(tái)，可以通過(guò)改進(jìn)設(shè)計(jì)、多功能組合和可持續(xù)性思維，不斷開(kāi)拓新的應(yīng)用領(lǐng)域，為社會(huì)帶來(lái)實(shí)際的益處和改變。因此，水凝膠在材料科學(xué)中的重要性不容忽視，其不斷展現(xiàn)的潛力將繼續(xù)引領(lǐng)著創(chuàng)新和進(jìn)步的道路。

[1]Oyen M L. Mechanical characterisation of hydrogel materials. Int Mater Rev， 2014， 59（1）： 44-59.

[2]Ullah F， Othman M B H， Javed F， et al. Classification， processing and application of hydrogels： A review. Mat Sci Eng C-mater， 2015， 57： 414-433.

[3]Buwalda S J， Boere K W M， Dijkstra P J， et al. Hydrogels in a historical perspective： From simple networks to smart materials. J Control Release， 2014， 190： 254-273.

[4]Li J， Jia X， Yin L. Hydrogel： Diversity of structures and applications in food science. Food Rev Int， 2021， 37（3）： 313-372.

[5]Klein M， Poverenov E. Natural biopolymer-based hydrogels for use in food and agriculture. J Sci Food Agr， 2020， 100（6）： 2337-2340.

[6]Liang Y， He J， Guo B. Functional hydrogels as wound dressing to enhance wound healing. ACS Nano， 2021， 15（8）： 12687-12722.

[7]Correa S， Grosskopf A K， Hernandez H L， et al. Translational applications of hydrogels. Chem Rev， 2021， 121（18）： 11385-11457.

[8]Zhang X， Wei P， Yang Z， et al. Current progress and outlook of nano-based hydrogel dressings for wound healing. Pharmaceutics， 2023， 15（1）.

[9]Sanchez-Cid P， Jimenez-Rosado M， Romero A， et al. Novel trends in hydrogel development for biomedical applications： A review. Polymers-basel， 2022， 14（15）.

[10]Yuk H， Wu J， Zhao X. Hydrogel interfaces for merging humans and machines. Nat Rev Mater， 2022， 7（12）： 935-952.

關(guān)鍵詞：水凝膠 醫(yī)用生物材料 組織工程 再生醫(yī)學(xué) ■