1、醫(yī)用高分子水凝膠的設(shè)計與合成,1 凝膠的結(jié)構(gòu)和性質(zhì) 定義：gel是指溶脹的三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)高分子，在高聚物間相互連接形成的網(wǎng)狀空隙中填充了液體介質(zhì). 水凝膠：液體介質(zhì)為水，由水溶性或親水性高聚物組成.吸水性強(qiáng)，保水性能強(qiáng),一般壓力難以排除.,凝膠與功能水凝膠,（1）凝膠的分類： A 交聯(lián)鍵性質(zhì) 化學(xué)凝膠：不可逆凝膠，經(jīng)單體聚合或化學(xué)交聯(lián)大分子通過共價鍵連接，不溶不熔，結(jié)構(gòu)穩(wěn)定 物理凝膠：可逆凝膠，大分子間通過氫鍵或范德華力相互連接，外界條件改變，物理鏈破壞，凝膠重新形成鏈狀分子溶解在溶劑中溶液 如 明膠、聚乙烯醇水溶液 B 凝膠含液量 凍膠：含液量90以上，網(wǎng)絡(luò)中溶劑不能自由流動，呈現(xiàn)彈性半固體狀

2、態(tài) 干膠：含液量15，吸收液體膨脹變?yōu)閮瞿z.,(2) 凝膠形成因素 濃度：成膠需要最小濃度，增加濃度加速凝膠. 溫度：溫度低有利于凝膠化. 電解質(zhì)：陰離子起主要作用 SO42-,Cl-加速凝膠，I-,SCN- 阻滯膠凝. (3) 凝膠性質(zhì) 觸變性：凝膠與溶膠相互轉(zhuǎn)化的過程外力流體外力停止半固體,溶脹性：凝膠吸收液體后自身體積明顯增大的現(xiàn)象. 第一階段：溶劑分子鉆入凝膠中形成溶劑化層. 第二階段：液體分子繼續(xù)滲透，凝膠體積大大增加. 脫水收縮：溶脹的凝膠于低蒸汽壓液體緩慢自動從凝膠中分離出來的現(xiàn)象.是鏈段間相互作用繼續(xù)進(jìn)行的結(jié)果. 透過性：分子從凝膠孔隙擴(kuò)散通過的現(xiàn)象. 影響因素： 溶劑性質(zhì)：含

3、水的孔道利于水溶性物質(zhì)通過. 溶劑含量：溶劑含量高凝膠溶脹度大，孔徑大，利于分子通過. 凝膠電荷：對粒子擴(kuò)散與透過有選擇性.,2 功能水凝膠 定義：對溫度或環(huán)境因素的變化刺激有明確或顯著應(yīng)答的凝膠 分類：溫敏水凝膠、pH敏水凝膠、鹽敏水凝膠、光敏水凝膠、 形狀記憶水凝膠 溫敏水凝膠：在水或水溶液中凝膠的溶脹與收縮強(qiáng)烈依賴溫度，凝膠體積在某一溫區(qū)有突變低臨界溶液溫度 溫敏原因：聚合物親水親油平衡值聚合物鏈結(jié)構(gòu)存在親水和疏水的平衡 聚N烷基系列凝膠低溫溶脹（結(jié)合水含量低，游離水含量高） 高溫收縮N孤對電子與水分子形成的氫鍵高溫斷裂 聚N異丙基丙烯酰胺37突然收縮全部為結(jié)合水無游離水,凝膠與功能水凝

4、膠,溶脹度：一定溫度下，單位質(zhì)量或體積的凝膠所能吸收液體的極限量 pH敏水凝膠：聚合物的溶脹與收縮隨弧環(huán)境的pH、離子強(qiáng)度 變化而變化 陰離子水凝膠平衡溶脹度隨pH增大而增大，陽離子型則隨pH增大而降低 溫敏及pH雙重敏感凝膠 將pH敏單體和溫敏單體通過接枝和嵌段共聚或用互穿網(wǎng)絡(luò)技術(shù)合成的互穿網(wǎng)絡(luò)水凝膠 N,N二異丙基丙烯酰胺、 N,N-二甲基丙烯酰胺、油酸三元共聚物水凝膠,醫(yī)用高分子水凝膠由于直接與生物系統(tǒng)相作用，除需具備一般理化性能要求外，還需滿足下述一些特殊性能要求: 水凝膠本身無毒，不致癌、不致崎，不引起人體細(xì)胞的突變和不良組織反應(yīng); 具有良好的生物或組織相容性，不引起中毒、溶血、凝血

5、、發(fā)熱和過敏等現(xiàn)象; 具有與人體天然組織相適應(yīng)的力學(xué)性能; 針對不同的使用目的而具有特定的功能。,為了合成所需的水凝膠，具有良好生物相容性的一些親水性聚合物及其與內(nèi)酯、己內(nèi)酯的嵌段共聚物、聚乳酸及其共聚物、羥乙基甲基丙烯酸酯均聚物(PHEMA)以及鍵合有合成高分子支鏈的天然多糖接枝共聚物等現(xiàn)已被廣泛地用于醫(yī)用水凝膠基質(zhì)的構(gòu)建。 不同的交聯(lián)方法包括通過自由基共聚反應(yīng)、結(jié)構(gòu)互補(bǔ)基團(tuán)間化學(xué)反應(yīng)進(jìn)行的化學(xué)交聯(lián)法以及由帶相反電荷離子間相互作用、兩親性嵌段共聚物或接枝物疏水締合、結(jié)晶和氫鍵作用引致的物理交聯(lián)法則被廣泛地用于醫(yī)用水凝膠的設(shè)計與合成。,化學(xué)交聯(lián)的設(shè)計與合成,1.自由甚共聚反應(yīng)交聯(lián) 自由基共聚反

6、應(yīng)交聯(lián)是迄今用于醫(yī)用高分子水凝膠設(shè)計和制備的最常用方法。 依賴于所需的合成原料化學(xué)結(jié)構(gòu)與性能特點(diǎn)，兩種主要的途徑被廣泛采用: 一、通過一種或多種低分子量烯類單體在交聯(lián)劑存在下直接進(jìn)行交聯(lián)共聚反應(yīng); 二、先使原本不具聚合反應(yīng)活性的一些水溶性聚合物轉(zhuǎn)變?yōu)楹删酆戏磻?yīng)基團(tuán)的衍生物、再進(jìn)行交聯(lián)共聚反應(yīng)。 其主要特點(diǎn)是可根據(jù)需要將不同敏感或功能特性基團(tuán)引人到聚合物水凝膠骨架中，同時可方便地調(diào)控官能團(tuán)的密度及水凝膠的交聯(lián)程度。,2.結(jié)構(gòu)互補(bǔ)基團(tuán)間反應(yīng)交聯(lián) 一些生物相容性聚合物分子鏈上通常含有諸如-OH、-COOH、-NH2一類的功能基團(tuán)。這些基團(tuán) 不僅賦予聚合物良好的水溶性，而且可與一些結(jié)構(gòu)互補(bǔ)的化合物發(fā)

7、生諸如Schiff堿、加成、縮合一類的化學(xué)反應(yīng)、彼此間形成化學(xué)交聯(lián)鍵。利用這些特性，具有不同結(jié)構(gòu)與性能特點(diǎn)的醫(yī)用水凝膠可被設(shè)計與合成。,物理交聯(lián)的設(shè)計與合成,1.荷電相反離子間相互作用交聯(lián) 作為一種基于物理交聯(lián)的設(shè)計與合成策略，一些生物相容且可生物降解的水溶性聚電解質(zhì)特別是 多糖類聚電解質(zhì)與一些帶相反電荷無機(jī)離子或聚離子之間的相互作用交聯(lián)(圖3)已被成功用于醫(yī)用多 糖基水凝膠的制備。,2.兩親性嵌段或接枝共聚物締合交聯(lián) 兩親性嵌段或接枝共聚物在水中能借疏水締合作用自組裝形成類似于膠束和層狀相等有序結(jié)構(gòu)。利用這些原理，設(shè)計并制備物理交聯(lián)型醫(yī)用水凝膠。,3.結(jié)晶與分子間氫鍵作用交聯(lián) 研究發(fā)現(xiàn)，將聚

8、乙烯醇(PVA)水溶液進(jìn)行凍融處理可得到一種高強(qiáng)度高彈性的凝膠，凝膠的性質(zhì)取決于PVA的分子量、濃度、凍結(jié)時間和溫度以及凍結(jié)的循環(huán)次數(shù)，而凝膠的形成則歸因于PVA分子在低溫下的結(jié)晶作用;這種結(jié)晶作用可促使PVA形成其功能類似于物理凝膠網(wǎng)絡(luò)交聯(lián)點(diǎn)的微晶。,目錄,第一部分 研究背景及意義,背景介紹,水凝膠是具有三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的交聯(lián)聚合物,它能夠在水中溶脹至平衡并保持大量水分, 而又不溶解于水。水凝膠是一種重要的功能高分子材料, 是當(dāng)前材料科學(xué)的研究熱點(diǎn)之一。,水凝膠的應(yīng)用,創(chuàng)傷敷料 藥物載體 角膜接觸眼鏡 形狀記憶材料 組織工程支架材料 保水抗旱,研究意義,由于高分子水凝膠具有緩慢釋放及毒性小的特點(diǎn)

9、， 使其在醫(yī)藥和醫(yī)療方面也極具應(yīng)用價值： 軟接觸眼鏡就是高分子水凝膠作為生物醫(yī)用材料使用最為成功的例子 而作為藥物控制釋放材料或者醫(yī)用敷料的研究意義重大。,作為敷料的優(yōu)點(diǎn)：,吸收能力強(qiáng)，吸收滲液后可形成凝膠，與創(chuàng)面結(jié)合良好 易于更換，在傷口愈合的過程中，凝膠不會粘連傷口 防止傷口感染，低毒甚至沒有什么毒性，還可負(fù)載各種藥物,水凝膠的研究現(xiàn)狀,pH敏感水凝膠 溫度敏感性水凝膠 電場敏感性水凝膠 光敏感性水凝膠,NVP-HEMA水凝膠研究現(xiàn)狀,目前NVP-HEMA二元共聚物水凝膠主要用于軟性親水接觸鏡 ，其含水量3842，其保濕性和生物相容性、透氧性均不是很理想。,課題的提出,因此，我們用HEMA

10、和NVP作為單體，BPO為引發(fā)劑，N，N-亞甲基雙丙烯酰胺作為交聯(lián)劑進(jìn)行共聚合，希望得到的產(chǎn)品同時具備PVP與PHEMA的優(yōu)異性能。 同時我們通過改變反應(yīng)條件和配方，測定其各種性能，以擴(kuò)大其使用范圍。,第二部分 水凝膠的制備,水凝膠的制備,HEMA,NVP,引發(fā)劑：,BPO,N,N-亞甲基雙丙烯酰胺,交聯(lián)劑：,NVP:HEMA=7:3 反應(yīng)溫度：80 反應(yīng)時間：24小時或36小時 反應(yīng)環(huán)境：N2 保護(hù) 通過改變引發(fā)劑BPO和交聯(lián)劑的用量來改善水凝膠的綜合性能，擴(kuò)展其應(yīng)用范圍,第三部分 水凝膠的性能測試,水凝膠平衡溶脹度的測定,水凝膠吸水速率測定,水凝膠拉伸強(qiáng)度測定,單體轉(zhuǎn)化率測定,單體轉(zhuǎn)化率測

11、定,80。C干燥至衡量,泡于蒸餾水中透析足夠長時間,稱其質(zhì)量m2,計算方法：轉(zhuǎn)化率= m2 /m1100%,反應(yīng)完畢后，稱取水凝膠的質(zhì)量m1,表1 單體轉(zhuǎn)化率,水凝膠平衡溶脹度測定,稱取適量水凝膠材料,80。C干燥至衡量,稱其質(zhì)量m1,用蒸餾水浸泡至溶脹平衡,稱其質(zhì)量m2,計算方法：平衡溶脹度W%=（m2-m1）/m1100%,表2 平衡溶脹度和重復(fù)吸水平衡溶脹度,稱取一定量的水凝膠材料在800C下干燥至衡量，稱其質(zhì)量m1，然后用蒸餾水浸泡，每隔半小時測定其質(zhì)量m2，m3，m4等，由此可計算出此水凝膠材料在不同時間段的吸水速率。,水凝膠吸水速率測定,圖1 未加交聯(lián)劑，不同引發(fā)劑用量時吸水速率,

12、未加交聯(lián)劑時，吸水速率隨著引發(fā)劑用量的增加而加快。,圖2 不同引發(fā)劑和交聯(lián)劑時的吸水速率,吸水速率隨著交聯(lián)劑用量的增加而降低，隨著引發(fā)劑的用量增加而增加 ；當(dāng)交聯(lián)劑用量較高時，引發(fā)劑用量對吸水速率的影響不大,圖3 不同反應(yīng)時間對吸水速率的影響,反應(yīng)時間雖然對吸水速率有一定的影響，但對平衡吸水率影響不大。,圖4 BPO 1不同交聯(lián)劑的吸水速率和重復(fù)吸水速率,1-1為未加交聯(lián)劑吸水速率， 1-2為未加交聯(lián)劑重復(fù)吸水速率 2-1為交聯(lián)劑0.1重復(fù)吸水速率，2-2為交聯(lián)劑0.1吸水速率 3-1為交聯(lián)劑0.3重復(fù)吸水速率，3-2為交聯(lián)劑0.3吸水速率 4-1為交聯(lián)劑0.5重復(fù)吸水速率，4-2為交聯(lián)劑0.

13、5吸水速率,圖5 BPO 2不同交聯(lián)劑的吸水速率和重復(fù)吸水速率,1-1為未加交聯(lián)劑吸水速率 1-2為未加交聯(lián)劑重復(fù)吸水速率 2-1為交聯(lián)劑0.1吸水速率 2-2為交聯(lián)劑0.1重復(fù)吸水速率 3-1為交聯(lián)劑0.3重復(fù)吸水速率 3-2為交聯(lián)劑0.3吸水速率 4-1為交聯(lián)劑0.5重復(fù)吸水速率 4-2為交聯(lián)劑0.5吸水速率 5-1為交聯(lián)劑1吸水速率 5-2為交聯(lián)劑1重復(fù)吸水速率,圖6 BPO 2反應(yīng)時間36小時的吸水速率和重復(fù)吸水速率,表3 水凝膠拉伸強(qiáng)度,拉伸強(qiáng)度隨著引發(fā)劑用量增加而降低，其原因可能是引發(fā)劑用量較高時，反應(yīng)速度較快，但分子量較小，分子鏈較短，大分子間的纏結(jié)作用不強(qiáng)，分子間作用力小，因此拉伸強(qiáng)度較低。,第四部分 總結(jié)及進(jìn)一步工作設(shè)想,全文總結(jié) 本文以HEMA和NVP為單體，BPO為引發(fā)劑，N，N-亞甲基雙丙烯酰胺為交聯(lián)劑進(jìn)行自由基共聚合，合成了HEMA/NVP二元共聚物水凝膠。并且初步測試合成的水凝膠材