功能性水凝胶的活性聚合与应用研究进展

梁 良，张亚平，周 瑜，任 锦

（1.九江学院分析测试中心，江西 九江 332005；2.九江学院药学与生命科学学院，江西 九江 332005）

功能性水凝胶的活性聚合与应用研究进展

梁 良1，张亚平2，周 瑜2，任 锦2

（1.九江学院分析测试中心，江西 九江 332005；2.九江学院药学与生命科学学院，江西 九江 332005）

功能性水凝胶能够针对不同环境的变化而做出响应，在生物医药、组织工程、环境保护等领域被广泛研究。活性聚合则拥有结构设计性强、反应控制灵活、产物均一性好的优势。本文主要介绍了目前功能性水凝胶活性聚合的研究进展和应用情况。

功能性水凝胶；活性聚合；应用

水凝胶是一种含有大量亲水基团的三维网状高分子材料，能够吸收大量的水进行溶胀。水凝胶功能化后，面对外界环境敏感点的变化，如温度、pH值、压力、磁力、溶剂极性等，能够实现凝胶-溶胶或者溶胀的形态变换，并在这一过程中完成设定的功能化目的。基于水凝胶良好的生物相容性与环境友好性，以及超强的分子可设计性，其在药物传输[1]、组织工程[2]、水环境保护[3]和催化剂载体[4]等领域拥有巨大的开发潜力和发展前景。

活性聚合因不存在链转移和链终止过程，使得反应过程能够被精确控制，同时链引发速率又大于链增长速率，使产物分子量分布集中，均一性非常好，因此，使用活性聚合可以让包含各种功能基团的水凝胶被精确制造出来，产物的高一致性也提升了其运用到工业生产的可能性。

1 活性聚合

1.1 原子转移自由基聚合

原子转移自由基聚合（Atom Transfer Radical Polymerization，ATRP）又称金属催化自由基聚合，是利用了金属催化剂具备发生可逆氧化还原反应的能力，使特定基团可以在活性种与休眠种之间自由转移，氧化-还原的往复循环实现链的增长。该法的特点在于聚合产物结构的可设计性很强，不仅能够通过选用不同的聚合单体，还可以通过改变引发剂-卤代烷中烷烃部分的结构来设计所需要的水凝胶结构。盛维娟课题组[5]用2-溴代丙酸乙酯为引发剂，氯化亚铜为催化剂，通过ATRP法将具有温度响应特性的甲基丙烯酸-2-(2-甲氧基乙氧基)乙酯和寡聚乙二醇甲醚甲基丙烯酸酯，以及N-羟甲基丙烯酰胺按比例共聚，再分别对共聚物进行叠氮化与炔基化处理，最后将二者交联得到温敏性水凝胶。周应学等[6]用2-溴异丁酰溴改性的α-环糊精与溴丙酰溴封端的F127水凝胶自组装形成聚准轮烷，并以此作为大分子引发剂，通过ATRP法将聚乙二醇二丙烯酸酯和2-甲基丙烯酸羟乙酯进行共聚，由于引发剂中烷烃部分含有引入的改性α-环糊精与凝胶大分子结构，使得产物水凝胶不仅具有交联网络的超分子结构，还获得了良好的热敏性与力学强度。

1.2 可逆加成-断裂链转移聚合

可逆加成-断裂链转移聚合（Reversible Addition-Fragmentation Transfer Polymerization,RAFT）实际上是在传统的自由基聚合反应中，加入了高链转移常数的链转移剂，使链转移成为一个快速而且可逆的过程，从而实现活性种与休眠种的可逆平衡，期间链转移相对链增长的反应时间可以忽略不计。这种活性聚合方法的优势是继承了传统自由基聚合的所有工艺和条件，拥有实现大规模工业化生产的基础与潜力。刘晓暄团队[7]首先合成了链端含有三硫代碳酸酯基的链转移剂，通过光引发RAFT法，将N-异丙基丙烯酰胺和N,N-二甲基双丙烯酰胺交联共聚，并使用聚乙二醇作为制孔剂，得到能快速响应的多孔水凝胶。刘桂廷等[8]分别选用具备温敏性的聚乙二醇甲基丙烯酸酯和具有pH敏感性的丙烯酸作为反应单体，以三硫代碳酸酯为链转移剂，采用RAFT法一步合成了温度与pH值双重响应的功能性水凝胶，整个反应简单高效。

1.3 氮氧稳定自由基聚合

氮氧稳定自由基聚合（Nitroxide-Mediated Free-Radical Polymerization, NMRP）是在氮氧化合物生成的自由基与链增长自由基形成休眠种后，通过高温使休眠种产生自由基，恢复为活性种，实现活性聚合。这种聚合方式可以避免产物中存在如金属催化剂这样的杂质。赵玮杰[9]先合成出含有烷氧基胺基团的交联剂，使用该交联剂制备出聚丙烯酸叔丁酯凝胶，加入苯乙烯后，加热使凝胶中烷氧基胺的碳氧键发生均裂，得到含氮氧自由基的活性种，引发苯乙烯聚合，再与之发生共聚后形成两嵌段凝胶，最后将叔丁酯段水解，得到聚丙烯酸-聚苯乙烯的两亲性凝胶。

1.4 氧阴离子聚合

氧阴离子聚合（Oxyanion-Initiated Polymerization，OIP）的反应机理是利用醇钾等在极性溶剂中生成氧阴离子，而氧阴离子作为活性基团引发链增长，实现单体聚合。此聚合的速率很快，并且对反应条件的要求较温和。韩丹[10]选用萘钾引发体系，经氧阴离子聚合制备出胍盐修饰的阳离子聚合物，再分别与阴离子聚合物海藻酸钠和木质素磺酸钠通过静电作用产生物理交联，形成离子型水凝胶。

2 功能性水凝胶的应用

2.1 药物传输

水凝胶具备三维网络结构，存在包埋或容纳药物分子的空间，是作为药物传输载体的理想对象。水凝胶功能化后，能够通过变换形态来响应体内特殊环境的变化，实现对负载药物缓释、控释的目的。李聪等[11]将具有促进成骨细胞生长的甲状旁腺相关肽载入到温敏性水凝胶内，对比不同温度下的释药结果发现，20℃时，该复合物1d释放了总载药量的90%，而在生理温度37℃下，其平稳持续地释药了13d，缓释效果显著。He等[12]采用1-溴代十二烷改性果胶得到具有pH敏感性的烷基化果胶水凝胶，以牛血清白蛋白为负载药物分子，模拟了在不同酸碱度的体液中的释放情况，发现在模拟肠液中的释放量明显大于模拟胃液中的，说明该水凝胶具备控释能力。

2.2 组织工程

制备水凝胶时既可以选用不同单体进行交联聚合，也可以使用聚合物进一步接枝共聚，原料既可以是天然的也可以是人工合成的。正是由于水凝胶制备工艺灵活，选材广泛，使得水凝胶可以具备良好的生物相容性和降解性、无毒性以及医学应用价值。杨国慧等[13]开发出聚乙二醇双丙烯酸酯水凝胶作为鼻腔填充材料，并论证了其细胞相容性。周勇课题组[14]用聚乙烯醇与天然聚合物壳聚糖制备出多孔水凝胶，再复合骨髓间充质干细胞，成功修复了兔膝关节软骨缺损。张鸿鑫等[15]采用天然多糖海藻酸与酰肼化的聚乙二醇反应，得到具有自愈合性能的动态交联水凝胶，该材料能在生理温度下，实现切口自动愈合，可作为注射水凝胶填充生物体内被破坏的组织结构。

2.3 水环境保护

水凝胶拥有庞大的分子结构，而结构中存在大量的能与重金属离子发生络合反应的功能基团，作为吸附这些离子的活性位点[16]，达到清除水体中重金属的目的。刘婉宜等[17]制备出表面分布有胺基和羧基残基的聚丙烯酸盐-丙烯酰胺水凝胶，利用这两种功能基团与重金属离子形成螯合物，分别考察了该水凝胶对Cu2+、Pb2+、Zn2+和Cd2+的吸附性能，发现对这4种重金属离子的最大吸附量分别为 185.73mg·g-1、587.99mg·g-1、208.42mg·g-1、402.86mg·g-1。叶满辉等[18]以戊二醛为交联剂制备得到一种具有高效吸附能力的水凝胶聚天冬氨酸/木质纤维素水凝胶，其对Pb2+的最大吸附量可达到972.35mg·g-1，这主要是因为聚天冬氨酸结构中含有肽键和羧基，而木质纤维素结构中又存在很多如醇羟基、酚羟基、羰基等的基团，这些功能基团均能够与重金属离子发生作用，使得该水凝胶拥有很强的吸附能力。

2.4 催化剂载体

研究者们采用水凝胶吸附或者包覆催化剂的方式，拓宽催化剂的使用范围，提升其使用效果。刘兵等[19]用纤维素水凝胶包覆Fe3O4类Fenton纳米催化剂，使包覆后的催化剂能够在pH值为3～7的环境中降解酸性大红GR，而没有水凝胶包覆“保护”的催化剂在此条件下则没有催化降解效果。陶倩[20]将碳酸脱水酶与温敏型水凝胶聚N-异丙基丙烯酰胺一起封装在反相微乳液中，当使用温度升高后，水凝胶收缩并借助疏水端吸附碳酸脱水酶，阻止其在高温时发生聚集而失去催化活性，保护效率达到83.2%。

3 结语

功能性水凝胶因其能够对外界环境敏感点的变化做出响应而备受研究者关注，再加上水凝胶本身的结构特点和多方面的性能优势，使得功能性水凝胶在众多领域拥有应用前景。近年来，关于水凝胶活性聚合的报道日渐增多，由于活性聚合的可设计性强，反应可控，产物一致性好，能够进一步挖掘功能性水凝胶的应用潜力，提升工业化生产的可行性。然而，如何兑现这些潜力与前景，还需要不懈努力，希望在不远的将来，功能性水凝胶在日常生活生产中得到广泛应用。

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Research Advances in Active Polymerization and Application of Functional Hydrogels

LIANG Liang1, ZHANG Yaping2, ZHOU Yu2, REN Jin2
(1. Analytical and Testing Center, Jiujiang University, Jiujiang 332005, China; 2.School of Medicine and Life Sciences,Jiujiang University, Jiujiang 332005, China)

Functional hydrogels responding to the changes of different environments was widely studied in biological medicine,tissue engineering, environmental protection and other fields, and the active polymerization had advantages in designing the structure of polymer, controlling reaction flexibly and getting the product of good uniformity. In this paper, the study on activity polymerization and the application of functional hydrogels currently were mainly introduced.

functional hydrogels; active polymerization; application

TQ 317

A

1671-9905(2017)11-0030-03

九江学院科研基金项目（No.8500353）和启动基金项目（No.8879415）

梁良（1986-），男，硕士，实验师，研究方向：复合药物载体材料的合成

任锦（1986-），女，博士，讲师，研究方向：载药体系的研究

2017-08-07