水凝胶
水凝胶（Hydrogel）指的是聚合物高分子材料在水溶液中通过物理化学键合形成的具有三维网络结构的固体。具有亲水基团，是能够在水中或体液中膨胀却不溶解的交联聚合物。
水凝胶根据对外界的响应可分为pH敏感型水凝胶、温度敏感型（温敏）水凝胶、光敏感型水凝胶、电敏感型水凝胶和压力敏感型水凝胶等。应用非常广泛，从农业到工业添加剂，从药载体到组织工程支架材料，从生理卫生用品到软接触镜头，从水处理到紫外吸收材料等。
研究进展
水凝胶的发展是1961年美国农业部北方研究所铬Rus-sell等从淀粉接枝丙烯腈开始的，随后日本、德国、法国等对水凝胶的品种、制造方法、性能和应用领域等方面进行了大量的研究，取得了丰富的成果。
20世纪70年代日本开展了以纤维素为原料制造水凝胶的研究。除此之外，日本住友化学公司提出了用丙烯酸与乙酸乙烯共聚制取水凝胶的方法；美国Dow公司先用丙烯酸与吲哚-2-丙烯酸乙酯共聚得到聚合物水溶液，再与环氧氯丙烷混合得到膜状水凝胶，大大改善了聚合物的性能，使合成体系的水凝胶得到了更大的发展。在此期间，日本侧重于医药卫生材料方面的研究，而美国侧重于农、林、园艺方面的研究。
20世纪80年代开始出现由藻酸盐、蛋白、壳聚糖等天然化合物衍生物经化学反应制取吸水性物质。日本三洋公司首先将水凝胶用于制造餐巾、卫生巾、襁褓、抹布、手巾纸等一次性制品，还用于制造油水分离剂、重金属吸附剂、灭火剂、食品保鲜剂、干燥剂等。近年来，水凝胶还用于制造人工肾脏的过滤材料、软接触眼镜、人工水晶体、人工肌肉等人工器官。20世纪80年代末，水凝胶已用于从生物中提取酶和制造感觉性材料、外界刺激应答性材料等，甚至还采用水凝胶产生了在常温下不溶的人工雪。
吸水性复合材料于20世纪80年代产生。由于它能改善水凝胶的耐盐性、吸水速度、吸水后凝胶的强度等许多性能，所以发展迅速。到了20世纪90年代初，发展更为突飞猛进。近年来已开始研究吸水性有机高分子化合物的共混。这些为发展水凝胶提供了更加广阔的前景。
美国约翰·霍普金斯大学医学院在2013年发布报告称，他们开发出一种新型水凝胶生物材料，在软骨修复手术中将其注入骨骼小洞，能帮助刺激病人骨髓产生干细胞，长出新的软骨。在临床试验中，新生软骨覆盖率达到86%，术后疼痛也大大减轻。相关论文发表在1月9日出版的《科学·转化医学》上。约翰·霍普金斯大学医学院转化组织工程中心（TTEC）主任珍妮弗·埃里希夫说，“水凝胶”支架在愈合过程中能为细胞提供“营养”，促进健康组织生长，加速伤口愈合。她们在实验室里和山羊身上进行了多年实验，以寻找最理想的植入材料，最终选定了一种水凝胶生物材料和一种黏合剂，黏合剂用来使水凝胶牢牢地黏在骨骼上。
加拿大最新的研究显示，水凝胶（Hydrogel）不仅有利于干细胞（Stem cell）移植，也可加速眼睛与神经损伤的修复。研究团队指出，像果冻般的水凝胶是干细胞移植的理想介质，可以帮助干细胞在体内存活，修复损伤组织。
为解决水凝胶材料力学性能差的问题，2015年，中国科学院兰州化学物理研究所周峰课题组利用分子工程设计制备出了一种具有双交联网络的超高强度水凝胶，该水凝胶具有新颖的共价键与配位键双交联的结构形式，其中的化学交联形成惰性的水凝胶交联网络，接着利用铁离子—羧酸根的配位键作为动态的交联形式，在受到外界的应力后，可动态地断裂配位键以耗散能量，从而大大提高水凝胶的机械性能。同年，加利福尼亚大学圣迭戈分校的纳米科学工程师日前研发出了一种凝胶，这种凝胶中含有能够吸附细菌毒素的纳米海绵。这种凝胶有望用于治疗抗药性金黄色葡萄球菌（methicillin-resistant Staphylococcus aureus，耐甲氧西林金黄色葡萄球菌。这种细菌产生了对所有苄青霉素的抗药性，常常被称作“耳念珠菌”）导致的皮肤和伤口上的感染。在不使用抗生素的情况下，这种“纳米海绵水凝胶”能够把被抗药性金黄色葡萄球菌感染的小鼠皮肤上的损伤减小到最小。这项研究日前发表在学术期刊《先进材料》（Advanced Materials）上。在制造这种纳米海绵水凝胶的时候，科学家把纳米海绵与水凝胶混合到一起。纳米海绵是一种纳米颗粒，能够吸附抗药性金黄色葡萄球菌、大肠杆菌和其它对抗生素产生抗药性的细菌分泌出的危险的毒素，水凝胶是由水和多聚物组成的一种凝胶。在这种纳米海绵水凝胶中，水凝胶能够把纳米海绵控制保留在感染的部位，吸附掉细菌毒素。
理化性质
水凝胶的理化性质受凝胶结构、分子结构、交联程度、水的含量、水的状态等的影响。
生物相容性
生物相容性是生物材料与人体之间相互作用产生各种复杂反应的概念，水凝胶的生物相容性研究开始于20世纪60年代。研究学者们通过向实验体体内注射水凝胶，用于治疗骨关节损伤等，未出现炎症反应等，证实了水凝胶良好的生物相容性。
生物降解性
生物可降解材料是指通过与生物学环境相互作用，经一系列反应后，材料可逐渐降解成单体或低分子量化合物的材料。医用植介入治疗和体内药物输送是目前医疗领域的重点关注，是前沿医疗技术之一，但是介入材料的排异和药物输送系统的难代谢等带来严重的安全问题。水凝胶作为生物相容性良好的材料，通过改性或复合手段可制得具有生物降解性的高性能水凝胶，多项实验证明水凝胶具有生物降解性且无炎症发生，证实其在植介入和药物输送有巨大的应用潜力。
高吸水、保水性
水凝胶存在交联网络，因此可以溶胀和保有大量水，其水含量可高达99%。用水凝胶制作的医用敷料在吸收伤口渗出液的同时保持湿润环境，不会造成与伤口粘连带来二次创伤，且水凝胶吸液量大，不用频繁更换。另外，水凝胶表面光滑且有高弹性，用作敷料时，能与伤口紧密贴合不粘连，减少细菌接触，是目前最新进的医用敷料。
形成原理
凡是水溶性或亲水性的有机高分子化合物，通过一定的化学交联或物理交联，都可以形成水凝胶。这些高分子按其来源可分为天然和合成两大类。
根据交联点作用力的不同可将其分为物理交联和化学交联。物理交联水凝胶一般是通过分子链间的静电作用、氢键作用、疏水作用、结晶等相互作用力形成的，形成过程无须加入催化剂且没有副产物，因此凝胶的生物相容性较好。化学交联水凝胶的交联点的作用力为化学键，涉及化学反应过程中催化剂、反应条件以及副产物的毒性问题。制备化学交联型水凝胶通常采用以下几种方法:自由基聚合法、有机高分子化合物官能团反应法、高能辐射交联法、酶催化交联法等。物理水凝胶是可逆的，化学水凝胶是永久的，其构型的变化是不可逆的。
不同分类
按来源分类
按电荷性质分类
根据交联链中是否存在电荷，水凝胶可以分为中性/非离子水凝胶、离子水凝胶和两性水凝胶三大类。其中的区别在于骨架或者侧基上有无电荷，中性或非离子水凝胶没有电荷。非离子水凝胶的例子包括聚丙烯酰胺(PAAm)、聚甲基丙希酸羟乙酯(5)、聚乙烯醇(PVA)和聚乙二醇(PEG)。离子水凝胶可以分为阳离子(带正电荷)水凝胶和阴离子(带负电荷)水凝胶。离子水凝胶的溶胀受水性介质的pH控制，它决定了离子链的解离程度。骨架中含有正电荷的阳离子水凝胶，在酸性介质中表现出优异的溶胀性，因为它们在低pH下有利于链解离。用于合成阳离子水凝胶的单体实例包括乙烯基吡啶、甲基丙烯酸氨基乙、甲基丙烯酸二乙氨基乙酯和甲基丙烯酸二二甲氨基乙酯(0)。阴离子水凝胶的骨架中带有负电荷，其在较高的pH下更容易解离，因此在中性至碱性溶液中表现出优异的溶胀性。阴离子水凝胶单体的例子包括丙烯酸(AA)、双才艺烯磺酸、衣康酸、巴豆酸、顺丁烯二酸和甲基丙烯酸等。两性水凝胶指的是在同一聚合物链上带有正电荷和负电荷，这些水凝胶在每个结构重复单元中都同时含有阳离子和阴离子基团。pH的轻微变化可以改变这种类型水凝胶的整体离子特性。N-异丙基丙烯酰胺/{[3(甲基丙烯氨基)丙基]二甲基(3-磺丙基)氢氧化)水凝胶是用于合成两性水凝胶单体的一个例子。
根据水凝胶对外界刺激应答的不同分类
水凝胶又可分为传统水凝胶和环境敏感水凝胶。
应用
作为一种高吸水高保水材料，水凝胶被广泛用于多种领域，如：干旱地区的抗旱，在化妆品中的面膜、退热贴、镇痛贴、农用薄膜、建筑中的结露防止剂、调湿剂、石油化工中的堵水调剂，原油或成品油的脱水，在矿业中的抑尘剂，食品中的保鲜剂、增稠剂，医疗中的药物载体等等。值得注意的是，不同的应用领域应该选用不同的有机高分子化合物原料，以满足不同的需求。
医学领域
（1）药物缓释：水凝胶能延缓药物释放，有利于在人体内部精准用药，所以近年来，许多研究者在大力研发能够将药物更长时间地保持在患者伤口的药物传送系统。水凝胶在口服、鼻腔、直肠、眼部、口腔等药物途径都有巨大的研发潜力。
（2）伤口敷料：目前在临床上使用的敷料大多是传统敷料（纱布）等。水凝胶敷料是新近开发的，具有良好的品质和运用前景而可望在以后获得广泛使用的新型敷料。
（3）组织工程：人类由于疾病、外伤、事故等原因可能会导致身体失去某些组织、器官、功能，可通过移植各种替代物来支撑，修复身体功能。在寻求更好的、更合适的身体替代物过程中，组织工程的方法孕育而生。Zmora和Glicklis等(2002)制备出具有多孔海绵结构相互贯通的海藻酸盐水凝胶，它可以作为肝细胞组织工程的三维支架材料，可增强肝细胞的聚集性，从而为提高肝细胞的活性以及合成纤维蛋白能力提供了良好的环境。
(4)活性酶的固定：活性酶的固化技术的发展促进酶制剂的应用的发展。活性酶与自由酶相比，其最显著的优点是在保证酶拥有一定活力下，具有储存稳定性高、分离容易回收、多次重复使用、操作可控及连续等一系列优点。温度敏感型水凝胶由于其在临界温度附近溶胀度变化明显的特点，使其成为固定化酶的一种理想的包埋载体。
(5)角膜接触镜：水凝胶的应用是非常广泛的，在生活中无处不见，如许多人常用的角膜接触镜，即隐形眼镜。角膜接触镜是一种具有医疗作用兼视力矫正、美容、防护眼镜的产品。
农业和工业的应用
水凝胶因具有高度膨胀性、高机械强度、黏着性、耐燃性、高化学稳定性等优点，在土木建筑工程中具有广泛应用。例如，将吸水性良好的水凝胶贴于要浇制的混凝土表面，就可以吸收混凝土中的水分，能有效地减少干燥时间，还能防止表面产生裂纹。
在一些干旱地区，被国外学者称为保水剂的水凝胶的用处更加显著，它可以锁住土壤中的水分，对防止土壤沙化、肥力减退都有很大的作用。保水剂水凝胶可以吸收比自身重千百倍的水，并且能良好地保持水分，缓慢地将水释放出来。在干旱地区，树苗浇灌量得不到保障的情况下，保水剂能够有效地提升树苗的存活率，减少土地沙化，对绿化事业的推进有重要意义。
水凝胶在工业方面也有广泛的应用，在生产食物方面，水凝胶可以作为水果或生鲜的保险膜;在重金属方面，可以作为污水处理剂;在电子产品方面，可以用来制作水分测量传感器、漏水检测器和湿度检测器;在美容产品方面，水凝胶可以用来制作保水面膜、保湿剂。
制备方法
制备水凝胶的方法有两种：一是物理交联，二是交联。物理交联的水凝胶具有可逆性，制备较容易，但稳定性和力学强度较低。化学交联水凝胶则是通过不可逆的共价键作用（如自由基聚合和点击化学）构建起持久的三维网络，因此结构稳定且永久不变。
化学交联法
化学交联法是较早提出的成型方法，可以增强水凝胶。通过加入、、、苯二醛、甲醛等固化剂，与分子中的发生醇醛缩合形成交联点，可使水凝胶的力学强度和硬度大大提高。交联法方便易行，反应迅速，成型时间短，但是容易产生由于分散不均而导致的交联结构不完善等问题。另外，这些固化剂都具有生物毒性，尤其是残留在体系内的未参与反应的固化剂通过一般方法很难除去，植入体内后会渗入周围组织，引起炎症反应，这大大降低了化学交联水凝胶的生物相容性。这些缺点使得化学交联法制备水凝胶在医学方面有很大的缺陷，限制了该方法的应用。
物理交联法
物理交联法就是通过放射线和紫外光的照射使水凝胶进行交联的一种方法。聚乙烯醇水凝胶可作为医用材料，但需要解决的问题主要有含水量高时的力学性能不佳，如何提高弹性模量，又能长久地维护保水性和优良的光学性能，这需要对水凝胶交联网络结构、保水的机理有深入的研究，找到微观结构与宏观性能的关系。有人利用γ射线辐照的水溶液，再经过两次脱水一热处理过程制得了不同结晶度的PVA水凝胶。实验表明，经过脱水一热处理过程的PVA水凝胶的机械性能得到了一定程度的加强。
反复冷冻一熔融法
反复冷冻一熔融法在医学方面已经得到广泛应用。将水溶液在－50℃～-20℃和室温下反复冷冻一熔融，使材料内部形成微晶区作为物理交联点，由此得到三维网状结构，使水凝胶的力学强度得到明显提高。力学性能随水溶液中固体含量、冷冻一熔融次数的增加而增加，并且与升温速率、冷冻温度等因素有关。
参考资料
新型水凝胶生物材料可修复膝盖软骨.中国科学院.2023-10-25
水凝胶在药物缓释中的应用.汉斯.2023-11-23
【中国科学报】超高强度水凝胶生物润滑材料研究获进展.中国科学院.2023-11-23
纳米海绵水凝胶治疗抗药性细菌感染.新浪科技.2023-11-23
水凝胶在生物医药领域的十大应用!.中化新网.2023-11-30