自愈性聚合物水凝胶的最新研究进展

主要阐述自愈性聚合物水凝胶的最新研究进展,针对自愈性聚合物水凝胶的愈合机理、不同类型聚合物对水凝胶的自愈性贡献、水凝胶的愈合程度及其验证方法等方面进行了分析和对比。总体而言,无论是在自愈性聚合物的分子设计,还是在其水凝胶的愈合机理研究方面,都取得了重要进展。然而,聚合物水凝胶的自愈合能力还有待进一步提高。新型聚合物设计、水凝胶制备方法的改进和自愈合效率的提高都会对自愈性聚合物水凝胶的进一步应用产生重要影响。     

基于动态建构化学的自愈合水凝胶及其在生物医学领域的应用展望

自愈合水凝胶与传统水凝胶相比,经受力破坏后仍可恢复其结构和功能,具有自我修复损伤的特点,是近年来备受关注的一种智能软材料.动态建构化学概念的引入,极大地促进了多响应性动态自愈合水凝胶的发展.本文综述了近年来基于动态建构化学合成自愈合水凝胶的方法,包括多重氢键作用、疏水相互作用、亚胺键、酰腙键等,并分析探讨了影响凝胶自愈合性能的因素及其在生物医学领域的潜在应用,还对其未来的发展进行了展望.     

海藻酸动态共价交联水凝胶的制备及其自愈合性能

利用高碘酸钠氧化海藻酸得到带有醛基的海藻酸,利用水合肼与聚乙二醇反应得到末端为酰肼基的聚乙二醇,以二者为原料利用醛基与酰肼基反应形成酰腙键的动态化学反应,赋予天然生物大分子水凝胶优良的自愈性和p H响应性.通过红外光谱、核磁共振光谱、动态黏弹谱、电子万能试验机等表征了材料的结构、水凝胶的自愈合能力以及p H响应性.结果表明,该水凝胶具有良好的力学性能和自愈合能力,能够在不加热和不添加催化剂的情况下,在温和的生理环境下自发实现切口愈合.同时水凝胶具有p H响应性,在碱性环境中成凝胶,在酸性环境中则转变为溶液状态,并且这种凝胶—溶液转变可重复多次.这些优异的性能,加上简单的制备方法、良好的生物相容性将为这类材料在生物医用领域的应用提供坚实的基础.     

基于动态共价键的自愈性水凝胶及其在医学领域的应用

自愈性水凝胶作为一种新型仿生智能材料受到了科研人员的广泛关注.近年来,人们利用动态共价键、超分子作用,发展了一系列自愈性水凝胶,并将其应用于药物控释、细胞三维培养、组织工程等生物医用领域.本文总结和评述了基于动态共价键的自愈性水凝胶及这些水凝胶作为药物载体的相关研究,并展望了基于动态化学的自愈性水凝胶的未来发展.     

基于动态化学的自愈性水凝胶及其在生物医用材料中的应用研究展望

自愈性材料具有自我修复损伤的特点, 能够增加使用材料的安全性, 延长材料寿命, 是一种具有损伤管理性能的智能新材料. 基于动态化学的自愈性水凝胶是近来备受关注的一种自愈性材料, 由具有动态特性的交联网络构建形成. 交联作用为动态化学键, 即非共价键, 如弱相互作用的氢键、分子间作用力(范德华力)、配位作用、亲疏水作用等, 或可逆共价键, 如温和条件下可逆的亚胺键、双硫键、酰腙键等. 这种材料具有本征性的自愈性, 一方面可应对外界破坏造成的损伤, 进行自我修复. 另一方面动态化学键对多种环境刺激具有响应性, 能自我调节以适应环境变化, 为将自愈性水凝胶开发为自适性多功能智能新材料奠定了基础. 水凝胶具有优越的生物相容性以及和生物组织的相似性, 在生物医用材料中如药物控制释放、组织工程修复、生物仿生等领域发挥着越来越大的作用, 而开发具有自愈性的多功能智能水凝胶, 将进一步拓展其应用. 综述了近来基于动态化学的自愈性水凝胶的制备及其在生物医用材料领域中的应用研究.     

一种新型光致发光自愈合水凝胶的合成

采用自由基聚合法制备了具有光致发光特性的自愈合水凝胶, 解决了光致发光配合物在水相荧光猝灭的问题. 通过分子设计, 利用共价键将油溶性的含Eu稀土配合物引进水凝胶体系中, 发现该配合物在水凝胶体系中稳定存在, 不扩散. 含Eu稀土配合物具有紫外光致发光的特性, 赋予该水凝胶良好的可识别性. 同时该水凝胶含有动态硼酸酯键, 其快速愈合的特性使该水凝胶在受损后能短时间内修复损伤, 为制备可发光水凝胶和可识别生物医用材料提供了新的思路.     

聚赖氨酸抗菌肽改性明胶多功能水凝胶的构建与应用

将ε-聚赖氨酸(EPL)抗菌肽接枝到明胶上,合成ε-聚赖氨酸改性明胶(GEL-E)后,以GEL-E、羧甲基壳聚糖(CMC)和氧化硫酸软骨素(OCS)为原料,制备了一种具有可注射性、自愈合性及抗菌性的多功能快速凝胶化水凝胶——GEL-E/CMC/OCS水凝胶.该水凝胶具有较高的储能模量、弹性形变性能、自愈合性能、可注射性能以及抗菌性能.将甘草酸二钾(DG)载入水凝胶,赋予水凝胶抗炎特性以及促伤口愈合能力.初步评价了水凝胶的释药行为.结果表明,药物释放可达100%.同时,评价了载药后水凝胶的细胞相容性以及促细胞迁移能力,发现水凝胶对细胞的毒性很低,且可以促进细胞迁移.研究结果表明,该水凝胶具有良好的力学性能、生物相容性以及促细胞迁移能力,在促进伤口愈合领域具有广阔的应用前景.     

氧化石墨烯/聚合物复合水凝胶的研究进展

氧化石墨烯是一种具有单原子厚度的二维材料, 具有优异的力学性能和良好的水分散性, 其表面有大量的含氧官能团. 将氧化石墨烯引入水凝胶体系中可以提高水凝胶的机械性能, 丰富其刺激响应的类型. 目前, 氧化石墨烯水凝胶在高强度、 吸附、 自愈合及智能材料等很多领域均有出色的表现. 氧化石墨烯水凝胶的研究已有10年的历史. 本文总结了氧化石墨烯水凝胶的制备方法, 归纳了智能氧化石墨烯水凝胶在光热响应、 pH响应和自愈合3个方面的响应机理和研究进展, 并综合评述了其在高强度水凝胶、 生物医学、 智能材料和污水处理等方面的应用前景.     

强韧型自愈合水凝胶的研究进展

水凝胶作为一种由大量水和与众不同的三维网状结构构成的智能软材料,已经广泛应用于许多领域,如药物输送、软骨修复、废物处理及电子设备等。然而,水凝胶不良的机械性能及自愈合性极大地限制了它们的潜在应用。目前已报道的韧性水凝胶通常不具有或只有很弱的自修复性,而自修复水凝胶通常机械性能非常弱。因此,研发具有高效自修复性能和优异机械性能的水凝胶材料,无论是从学术角度还是工业角度都是非常重要的。本文总结了近些年来强韧型自愈合水凝胶的最新研究进展,从其制备方法、性能等方面进行了简要介绍,并对未来的发展前景进行了展望。     

仿贻贝水凝胶在组织愈合中的应用研究

手术线缝合和订皮钉固定是外科手术中修复组织损伤的常规方法,但是对于相对脆弱的软组织,使用组织粘合剂是代替常规组织修复的重要方法之一.尽管合成的组织粘合剂已经得到广泛应用,但是仍然存在一些缺点,例如湿润环境中粘合性差和潜在毒性等.纤维蛋白胶具有良好的止血性能,但是存在拉伸性和粘附性差、价格昂贵等缺点.仿生粘合剂作为组织粘附剂、止血剂或密封剂在临床手术中应用广泛.然而,在组织创伤的修复应用中,发展耐水粘附、具有生物相容性,多功能一体化的医用粘合剂是近年来研究的热点和难点.自从Messersmith课题组报道了受贻贝启发的多功能聚多巴胺涂层以来,含有酚羟基的材料由于其抗氧化、抗菌消炎等功效,被广泛地应用于医学、食品、化妆品和水处理等领域.仿贻贝水凝胶具有优异的组织粘附性、止血抑菌性、生物安全性和可塑性,是理想的医用粘合剂材料.概述了多酚-合成高分子水凝胶、多酚-生物大分子水凝胶、多酚-无机纳米材料复合水凝胶以及聚多巴胺纳米颗粒复合水凝胶在组织粘附、止血抑菌等方面的研究进展和在组织愈合中的应用探索.总结了多酚水凝胶作为医用组织粘附剂、止血剂、密封剂仍需解决的关键问题,并对此领域的发展趋势进行了展望,有助于推动仿贻贝水凝胶作为新兴生物粘合剂在医学领域中的应用.     

通过麦克加成反应形成的三臂聚乙二醇丙烯酸酯可注射水凝胶的制备与表征

通过麦克加成反应在磷酸盐缓冲溶液中制备出一种基于三臂聚乙二醇丙烯酸酯的能快速固化的可注射水凝胶.采用倒置法测定了体系的凝胶化时间.通过红外,DMA,溶胀,降解等一系列测试,研究了该水凝胶的结构和物理化学性能.观察到通过控制前体溶液的浓度,可以控制凝胶的成胶时间和所形成凝胶的溶涨率.同时表明该水凝胶具备可注射性和可降解性.细胞毒性评价显示,该水凝胶浸提液无毒性,符合生物材料的安全评价标准.由于麦克加成反应可在人体生理条件(pH7.4,37℃)下快速进行,并且不需要任何引发剂、催化剂和有机溶剂,因此该反应非常适合应用于生物医用材料领域.     

基于杯芳烃和紫精的电刺激响应二元水凝胶

基于上缘四脯氨酸修饰杯[4]芳烃和各种紫精客体分子的相互作用, 我们构筑了一类新型的二元超分子水凝胶. 得到结果显示, 在酸性条件下, 溴化紫精盐最易于促进四脯氨酸修饰杯[4]芳烃形成水凝胶. 并且经落球法测定了所制备水凝胶的凝胶-溶胶转变温度, 采用原子力显微镜和扫描电子显微镜表征了水凝胶的微观形态, 发现紫精的侧链对水凝胶性质具有显著影响, 包括凝胶-溶胶转变温度和微观形态. 值得注意的是, 该类水凝胶不仅具有优良的电刺激响应性, 而且能够通过化学、pH和热等多种因素进行调控.     

可注射的壳聚糖/纳米金温敏性水凝胶的构筑及其光热性能研究

为提高对恶性肿瘤的治疗效率,制备了具有光热性能的壳聚糖/纳米金可注射性水凝胶用于肿瘤的多次光热治疗.选用生物基大分子壳聚糖(CS)原位还原制备了壳聚糖-纳米金(CS-Au NPs)复合物.再加入β-甘油磷酸钠(β-GP)制备了相转变温度接近人体体温的温敏性水凝胶(CGP/Au NPs).实验结果表明,CGP/Au NPs在室温下为溶胶,具有可注射性;达到人体体温后,快速形成凝胶.由于Au NPs的表面等离子体共振效应,基于壳聚糖/纳米金的复合凝胶在激光照射下具有优异的光热转换性能,最高温度可达55°C,而且在多次激光照射后仍可以保持较好的光热转换能力.Au NPs可在壳聚糖水凝胶的帮助下长时间固定于病灶,用于肿瘤的多次光热治疗.另外,CGP/Au NPs复合水凝胶具有良好的稳定性,Au NPs在凝胶内部分布均匀一致,可有效避免Au NPs聚集而产生局部高温或从凝胶内部泄漏而影响光热治疗的效果.同时,CGP/Au NPs具有优异的生物相容性和生物可降解性能.因此,基于壳聚糖与Au NPs的可注射性水凝胶,有望实现肿瘤的“一次注射,多次光热治疗”的目的.     

基于G-四联体的聚多肽-DNA水凝胶响应性研究

利用铜催化的点击反应合成了侧链接枝DNA的聚多肽, 基于DNA自组装的理念, 将含有两段鸟嘌呤(G)的序列引入到体系中, 结合G-四联体在钾离子存在的情况下能够形成分子间四链结构的特性, 获得了具有热响应和离子响应性的聚多肽-DNA超分子水凝胶. 此凝胶制备过程具有原位、快速等特点, 构筑基元具有可设计的响应性和良好的生物相容性. 综合以上特点, 此超分子水凝胶在组织工程和三维生物打印等领域具有潜在的应用.     

超长单链DNA与茶多酚超分子组装构筑多功能水凝胶

为开发新的DNA组装模式、整合杂化功能模块、丰富DNA水凝胶的合成方法和功能,利用双滚环扩增策略合成了超长DNA链,通过茶多酚(TP)与DNA链间的超分子组装,构建了TP-DNA杂化水凝胶.优化了水凝胶组分,通过扫描电子显微镜、流变测试等对水凝胶进行表征,以此研究TP的引入对DNA水凝胶性能的影响.研究结果表明,TP的引入不仅可以调节DNA水凝胶受核酸酶降解的速率,还赋予水凝胶抑菌、促进伤口愈合的特性,在大鼠伤口模型中显著地促进伤口愈合.     

快速响应的温敏性聚(N-异丙基丙烯酰胺)水凝胶 Ⅰ.以CaCO_3为成孔剂制备方法、表征及动力学研究

以不同粒径的CaCO3粒子为成孔剂 ,合成了快速响应的温敏性聚 (N 异丙基丙烯酰胺 ) (PNIPA)水凝胶 .利用扫描电镜观察到水凝胶具有特殊的孔状结构 ,得到水凝胶的孔径大小为几十微米左右 .动力学研究表明 ,该水凝胶在温敏膨胀或收缩时 ,具有快速的响应速率 ,在 10min内的失水率可达 90 % .比较了干凝胶和4 0℃下失水后的凝胶两种不同状态下水凝胶的膨胀曲线 ,发现两者的溶胀动力学曲线明显不同 ,前者的曲线有拐点 .同时发现与失水收缩速率相比 ,水凝胶具有较慢的吸水膨胀速率 .     

速响应的温敏性聚(N-异丙基丙烯酰胺)水凝胶Ⅰ.以CaCO3为成孔剂制备方法、表征及动力学研究

以不同粒径的CaCO3粒子为成孔剂,合成了快速响应的温敏性聚(N-异丙基丙烯酰胺)(PNIPA)水凝胶.利用扫描电镜观察到水凝胶具有特殊的孔状结构,得到水凝胶的孔径大小为几十微米左右.动力学研究表明,该水凝胶在温敏膨胀或收缩时,具有快速的响应速率,在10 min内的失水率可达90%.比较了干凝胶和40℃下失水后的凝胶两种不同状态下水凝胶的膨胀曲线,发现两者的溶胀动力学曲线明显不同,前者的曲线有拐点.同时发现与失水收缩速率相比,水凝胶具有较慢的吸水膨胀速率.     

温度及pH敏感N-异丙基丙烯酰胺/β-环糊精水凝胶的合成与性能研究

用顺丁烯二酸酐 (MAH)对具有分子包结能力的 β 环糊精 (β CD)进行化学改性 ,合成出了丁烯二酸单酯化 β CD单体 (MAH β CD) .通过氧化还原自由基引发MAH β CD与N 异丙基丙烯酰胺 (NIPA)聚合 ,合成出含 β CD结构单元的新型水凝胶 .用核磁共振、红外光谱及元素分析对MAH β CD单体及共聚物的结构和组成进行了表征 .溶胀研究结果表明 ,该水凝胶具有较好的pH、温度及离子强度敏感性 ;并且水凝胶在较高羧基(—COOH)含量和弱碱环境中 ,仍能表现出明显的温敏性     

天然高分子电场敏感水凝胶——大豆蛋白/羧甲基壳聚糖体系

通过将大豆蛋白(SPI)和羧甲基壳聚糖(CMCS)进行溶液共混,并加入环氧氯丙烷作为交联剂,成功制备了一种天然高分子两性荷电水凝胶.这种SPI/CMCS水凝胶在电场的作用下可以快速弯向一侧电极,表现出很好的电场敏感性.由于该水凝胶具有两性荷电的特性,因此其在不同pH值的电解质溶液中既可以弯向阳极(当pH6时),也可以弯向阴极(当pH6时).除了pH的变化,其他诸如施加电压的大小以及水凝胶的厚度也会对SPI/CMCS水凝胶在电场中的行为产生影响.相比于先前报道的另外两种天然高分子电场敏感水凝胶,即壳聚糖/羧甲基纤维素水凝胶和壳聚糖/羧甲基壳聚糖水凝胶,SPI/CMCS水凝胶在酸性较强(pH=3～4)以及中性(pH=7)的环境中仍能表现出良好的电场敏感性,拓展了天然高分子电场敏感水凝胶的应用范围.     

表面活性剂对疏水缔合水凝胶性能的影响

通过丙烯酰胺(AM)和丙烯酰胺基十八羧酸钠(NaAAS)共聚合,在没有任何外加化学交联剂的情况下,分别在水溶液和十二烷基硫酸钠(SDS)溶液中通过自由基聚合制备了疏水缔合水凝胶,命名为HA凝胶和SHA凝胶.系统研究HA凝胶和SHA凝胶的机械拉伸性能发现,调节AM和NaAAS的含量,可以使SHA凝胶具有相较不含SDS的HA凝胶更好的力学拉伸性能.HA凝胶在水中不溶解且在纯化和溶胀过程中几乎没有损失,而SHA凝胶体系中的SDS可以扩散出凝胶网络溶解到水中,使得SHA凝胶表现出更加明显的溶胀-去溶胀-平衡溶胀行为;在盐水中由于疏水缔合得到加强,HA凝胶和SHA凝胶都表现出化学凝胶的溶胀特点.在常温下HA凝胶不能实现自愈合,而SHA凝胶具有较好的自愈合能力,并且自愈合效果可以通过SHA凝胶中SDS和聚合物固含量调节.