聚丙烯酸系列水凝胶的应用*

刘展晴

(渭南师范学院化学与生命科学学院，陕西渭南714000)

聚丙烯酸是一种性能特异的水溶性有机高分子，水凝胶是由亲水性高分子交联而成的一类特殊的湿软性材料，其结构由水溶剂和三维网络结构的高分子组成，能够在水中显著溶胀但不溶解［1］。用聚丙烯酸开发出的聚丙烯酸系列水凝胶已经得到广泛的应用。根据水凝胶对受外界刺激(如温度、pH值、溶剂、光等)时做出的反应情况的不同，可分为环境敏感型水凝胶(智能水凝胶)和传统水凝胶［2］。智能水凝胶能够感知外界的微小刺激，在药物释放［3］等领域有着广阔的应用前景。水凝胶表面带有-COO－和NH4+等离子，可用作吸附剂，吸附离子液体、阳离子表面活性剂、重金属离子等。水凝胶性质柔软，吸水性强且能保持一定的形状;被广泛应用作吸水剂，应用在退热贴、香料载体及化妆品中的面膜等方面。水凝胶超强的吸水和保水性能，可作为保水剂用于抗旱。但必须注意的是，在不同的领域应用水凝胶时，需选用不同的高分子原料制成的水凝胶，以满足不同的需求。

1 聚丙烯酸系列水凝胶的应用

1.1 聚丙烯酸水凝胶的应用

1.1.1 聚丙烯酸水凝胶对离子液体的吸附

近年来的研究却显示离子液体对环境和生物体存在着潜在的危害。如离子液体进入土壤对植物的生长造成影响;进入水中会污染水体，对水中的动植物的生长、繁殖造成危害。所以减少离子液体对环境和人体的危害势在必行。

王园等［4］将氯化1－丁基3－甲基咪唑离子液体作为吸附对象，用聚丙烯酸水凝胶进行吸附。比较在不同温度、pH值、吸附时间条件下的吸附量发现:聚丙烯酸水凝胶对离子液体的吸附量随时间的增加而增大，约60min后吸附量基本达到平衡。根据扩散机理，刚开始时吸附量随温度升高而增大;但随着温度的上升吸附量逐渐减小。pH值较小时不利于聚丙烯酸水凝胶的吸附，吸附量随pH值的增大变化不明显;但当pH＞8时，由于水凝胶表面负电荷增多，吸附的静电作用加强，使得吸附量增加。

1.1.2 聚丙烯酸水凝胶对表面活性剂的吸附

表面活性剂是一类在很低浓度时就能显著降低液体表面张力的有机溶剂。现今，表面活性剂已经成为使用最广的有机化合物之一，同时其所造成的污染也是最严重的，表面活性剂带来的危害已经引起了人们的关注。

王园等［4］将十六烷基三甲基溴化铵(CTAB)阳离子表面活性剂作为吸附对象，用聚丙烯酸水凝胶进行吸附。研究了在不同温度、pH值和时间条件下聚丙烯酸水凝胶对十六烷基三甲基溴化铵表面活性剂的吸附作用。通过测定，在不同温度下，随时间的增加聚丙烯酸水凝胶对十六烷基三甲基溴化铵阳离子表面活性剂的吸附量逐渐增大，约25min后吸附趋近平衡。较低温度下的吸附效果比较高温度条件下的吸附效果要好。pH值较小时，不利于吸附的进行;但随pH值的升高，聚丙烯酸水凝胶表面负电荷逐渐增多，使得吸附增量。pH值越大吸附量越大。

1.1.3 聚丙烯酸水凝胶为反应器的研究

聚丙烯酸纳米水凝胶具有受外界环境诱导而膨胀、收缩和生物相容性以及有利于多价物质耦合的特性;广泛应用在各重大生物医学领域，如药物载体、药物释放、纳米生物传感器以及非手术可注射的人体组织工程的基体等。廖谦等［5］用羟丙基纤维素(HPC)作为模版并且借助HPC的相转变特性，采用无皂化乳液聚合新方法制备了聚丙烯酸纳米水凝胶。原创性地提出了聚丙烯酸纳米水凝胶为反应器，用聚丙烯酸纳米水凝胶原位诱导合成超顺磁性Fe3O4纳米粒子。所制备的聚丙烯酸-Fe3O4纳米粒子尺寸小、尺寸分布窄，无团聚现象等;Fe3O4纳米粒子包覆于聚丙烯酸纳米水凝胶粒子内部，并发现纳米粒子间呈“蠕虫链”结构;这种“蠕虫链”结构能更有效地提高MRI磁共振造影剂的肿瘤诊断及靶向作用。根据超顺磁性磁共振造影剂的工作原理，聚丙烯酸-Fe3O4纳米粒子可开发为新一代超顺磁性磁共振造影剂，为癌症靶向、药物释放、磁共振成像等前沿领域的生物医药材料提供了一个高度集成的纳米平台及其制备方法，具有很高的潜在应用价值。

1.2 聚丙烯酸钠水凝胶的应用

1.2.1 聚丙烯酸钠水凝胶在农业中的应用

水凝胶是一种新型的功能高分子材料，具有超强的吸水性，水凝胶能快速吸收比自身重几十倍至百倍的含盐水，数百倍的脱离子水;从而可以有效的控制土壤中的水分蒸发，促进植物的根系生长发育，满足植物生长需求，同时还能改善土壤结构，增加土壤活性，减少土壤板结等。将水凝胶与肥料按一定的比例配成复合肥料掺入土壤中，可提高肥料的利用率，减少肥料的流失。

韦尉宁等［6］以淀粉、壳聚糖、丙烯酸为原料，(NH4)2S2O8-NaHSO4体系为引发剂、N，N－二甲基丙烯酰胺为交联剂，用淀粉－壳聚糖－丙烯酸三元物接枝共聚法制备聚丙烯酸钠－壳聚糖－淀粉凝胶吸水材料，可提高吸水倍数，降低成本，还能达到抗菌的效果。

谢奕明等［7］以丙烯酸、膨润土为原料，环己烷为分散介质，司班60和十二烷基苯磺酸钠为分散剂，过硫酸钾为引发剂;N，N－亚甲基双丙烯酰胺为交联剂，采用反相悬浮的方法合成了膨润土/聚丙烯酸钠超吸水性水凝胶复合材料。应用在农业方面取得了很好的效果。

如甘肃某地菜地将水凝胶和营养液按一定配比配成复合肥料掺入土壤中种植大白菜，每亩产量增加60%，单棵重量由原来的平均3.5kg增加到5kg。将水凝胶用作保水剂，在移栽植物时可大大降低苗木的死亡率。

1.2.2 以聚丙烯酸钠水凝胶为基材制退热贴

黄玮等［8］利用水凝胶的高吸水保水性，以聚丙烯酸水凝胶为基材，将少量的天然清凉剂和大量的水加入水凝胶中制成退热贴。此种退热贴利用人体发烧时产生的热量来使得退热贴中的水分蒸发，从而达到降温的效果，具有天然清凉剂和物理降温的双重功效;同时水凝胶自身具有粘附性，使用时只需将退热贴贴于前额处，无“拔毛之痛”。与传统的物理降温方法，如冰敷、酒精擦身、冷毛巾敷相比使用更方便。

黄玮等［8］所制备的退热贴含水率约为50%，低于日本生产的退热贴73%的含水率。用钢板对退热贴的粘附力进行测定，将退热贴悬挂在钢板上，记录悬挂时间。结果发现，退热贴悬挂在钢板上45s后即脱落，与此同时日本产退热贴同样无法粘附住;说明以聚丙烯酸钠为基材制备的退热贴因含水率的降低反而提高了退热贴的粘附力和强度。

1.2.3 聚丙烯酸钠水凝胶与药物释放

微创治疗能很大程度地缓解传统的组织重建手术给患者带来的痛苦和减少并发症，已经引起了人们的广发关注。水凝胶在水环境下会发生膨胀，但不会溶解，是一种用于微创治疗的优良材料。马晓晔等［9］采用自由基聚合法合成制备了自膨胀PAAS-SF semi-IPN水凝胶(聚丙烯酸钠－丝素蛋白半互穿网络水凝胶)，研究抗生素药物阿莫西林(AMO)在PAAS-SF semi-IPN水凝胶中的包载与释放性能。结果显示，随水凝胶中丝素蛋白(SF)含量的增加，膨胀率增大，药物释放速率加快;如在120h内PAAS-SF20 semi-IPN水凝胶内能释放(83.4±0.9)%的药物。显示出了良好的药物释放能力，在药物输送方面有着广阔的应用前景。

1.3 聚丙烯酸复合水凝胶的应用

1.3.1 聚丙烯酸智能水凝胶的敏感性

智能水凝胶又称为环境敏感型水凝胶，具有独特的响应性，能够对外界环境的刺激产生快速的响应，如对 pH值、重金属离子、温度、声波、电场、溶剂、光、压力以及温度-pH值双重改变等微小变化和刺激进行响应。因其独特的响应性，在化学传感器、组织工程、物质分离等领域有着广泛的应用前景［10］。如 Wang 等［11］用壳聚糖和聚丙烯酸制备了pH值敏感的复合水凝胶，不仅具有很明显的pH值敏感性，而且也降低合成成本。黄玉萍等［12］首先合成了低分子量的聚丙烯酸钠，然后在低分子量的聚丙烯酸钠的基础上通过水溶液聚合法合成低分子量聚丙烯酸钠/丙烯酰胺水凝胶。研究其对Cu2+、Zn2+、Pb2+重金属离子和Na+的敏感性，通过测定，低分子量聚丙烯酸钠/丙烯酰胺对重金属离子的敏感性大小为Pb2+＞Cu2+＞Zn2+。

1.3.2 低分子量聚丙烯酸钠/丙烯酰胺水凝胶的敏感性吸附

黄玉萍等［12］在低分子量的聚丙烯酸钠的基础上通过水溶液聚合法合成低分子量聚丙烯酸钠/丙烯酰胺水凝胶。为测定其敏感性吸附选用Pb2+为代表，利用水凝胶溶胀的吸附性，研究低分子量聚丙烯酸钠/丙烯酰胺水凝胶对重金属离子的吸附［13］作用。结果显示，pH值较小时吸附能力较弱，随pH值的增大吸附量逐渐增大。当到达pH=4.0时吸附效果最好，之后随着pH值的继续增大，吸附量呈先增加后减小的趋势。水凝胶对Pb2+的吸附量随温度的升高而增大，但当温度升至50℃时，吸附量却呈下降趋势。当温度过高时，水凝胶中的三维网状结构的链段运动速度加快，使交联点间的距离减小，内部的网络空间也随之减小，高分子网络所能容纳液体量也减小，使吸附量降低。在pH值较小时，水凝胶中的羧基电离受到抑制，羧基以-COOH形式存在;同时氨基被质子化以形式存在，氮原子的配位能力受到影响，使吸附受到抑制。随pH值的升高，平衡向右移动，水凝胶中氨基和羧基分别以-和-COO－的形式存在，有利于水凝胶对重金属离的吸附。

1.3.3 壳聚糖/聚丙烯酸水凝胶磁微球对牛血清白蛋白的吸附与释放

以水凝胶为药物载体，在可控的外界条件下能使药物以一定的速率扩散到环境中，能够有效提高药物的释放效率和降低毒副作用。水凝胶磁微球是由有机高分子和无机磁性粒子(主要是铁或铁的氧化物)相结合形成，具有高分子微球的众多特性和磁响应性的复合微球。它不但能通过共聚或表面改性等方法使其表面带有特殊功能基(如-COOH、-OH、-NH2等)，而且还能在外加磁场作用下方便、迅速地分离。在细胞分离与标记、靶向药物运输、免疫分析和固定化酶等诸多领域的应用受到人们广泛的关注。

壳聚糖/聚丙烯酸水凝胶磁微球具有对pH值敏感性，揭少卫等［14］采用原位聚合法制备壳聚糖/聚丙烯酸水凝胶磁微球，利用不同pH值条件下壳聚糖/聚丙烯酸水凝胶磁微球溶胀性的不同和凝胶磁微球表面的-COO－与-NH4+的作用力的改变，实现对蛋白质类药物的吸附和释放。壳聚糖/聚丙烯酸水凝胶磁微球具有顺磁性，是良好的靶向药物运输工具，在磁场作用下水凝胶磁微球将药物运输到目标部位。

研究发现，所制备的壳聚糖/聚丙烯酸水凝胶磁微球能够延长药物的释放时间。如当药物在胃中时，只有少量的药物被释放出来;而当药物被运输到肠道中时，药物才逐渐被大量地释放出来。这样不但提高药物的作用时间，而且还可提高药物效用，减少副作用。同时，采用原位聚合法简化了水凝胶磁微球的富集过程，整个制备过程全部在水溶液中进行，避免有机试剂对水凝胶磁微球的污染，更清洁、安全，符合药物运输的要求。但是，这只是人体外的模拟实验，还需进一步地做动物体内模拟实验，才能真正确定壳聚糖/聚丙烯酸水凝胶磁微球在体内的作用效果。

2 总结

用聚丙烯酸开发成的聚丙烯酸系列水凝胶已经得到了广泛的应用。聚丙烯酸以其为基材开发出来的退热贴具有良好的粘附性和退热效果，其粘附力达到日本产的退热贴的水平。对阳离子型离子液体和表面活性剂及重金属有很好的吸附效果。由其制成的水凝胶磁微球，是良好的药物运输载体。聚丙烯酸为反应器，用聚丙烯酸纳米水凝胶原位诱导合成超顺磁性Fe3O4纳米粒子;为癌症靶向、药物释放、磁共振成像等前沿领域的生物医药材料提供了一个高度集成的纳米平台及其制备方法，具有很高的潜在应用价值。以聚丙烯酸合成的水凝胶，其优异的吸水保水性在农业当中是一种良好的抗旱剂，效果良好。

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［6］韦尉宁.聚丙烯酸钠－壳聚糖－淀粉凝胶材料及其性能研究［D］.南宁:广西大学，2009.

［7］谢奕明.膨润土/聚丙烯酸钠超吸水性复合材料的合成和导电水凝胶研究［D］.泉州:华侨大学，2005.

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