摘要水凝胶是一类具有广泛应用的聚合物材料，它在水中能够吸收大量水分而溶胀，并在溶胀之后能够继续保持其原有结构而不被溶解。由于其特殊的结构和性能，水凝胶自人们发现以来，一直被人们广为研究。本文综述了近些年国内外在水凝胶制备和在生物医药、环境保护等方面的一些研究进展，并对水凝胶的应用前景做了一些展望。
凝胶按照分散相介质的不同而分为水凝胶(hydro-gel)、醇凝胶(alcogel)和气凝胶(aerogel)等。水凝胶的分散相介质是水，它是由水溶性分子经过交联后形成的，能够在水中溶胀并且保持大量水分而不溶解的胶态物质。它在水中能够吸收大量的水分显著溶胀，并在显著溶胀之后能够继续保持其原有结构而不被溶解。[1]正因为水凝胶的这种特性，水凝胶能够对外界环境，如温度、pH、电场、磁场等条件变化做出响应。近年来，对水凝胶的研究逐渐深入。水凝胶的应用也越来越广泛，不仅在载药缓释、环境保护方面有很大用途，而且在喷墨打印等方面也有越来越大的作用。
一、水凝胶的制备
（一）PVA水凝胶的制备
上世纪50年代，日本科学家曾根康夫最早注意到聚乙烯醇(PVA)水溶液的凝胶化现象。由于PVA水凝胶除了具备一般水凝胶的性能外，具有毒性低、机械性能优良(高弹性模量和高机械强度)、高吸水量和生物相容性好等优点，因而倍受青睐。PVA水凝胶在生物医学和工业方面的用途非常广泛[2]。
龚桂胜，钟玉鹏[3]等人利用冷冻-解冻法制备了不同类型高浓度聚乙烯醇（PVA）水凝胶，研究了PVA水凝胶的溶胀率、拉伸强度和流变特性。他们发现不同类型的高浓度 PVA 水凝胶的力学性能相差较大，高分子量的 PVA 水凝胶的拉伸强度较低；这与低浓度的水凝胶相反。徐冰函[4]首先制备PVA水凝胶，再以PVA 水凝胶作为载体利用反复冷冻的方法成功制备含有二甲基砜的PVA水凝胶。实验制备的MSM/PVA水凝胶具有优良的理化性能，并且可以用于人工敷料的制备。同时研究发现，二甲基矾在PVA水凝胶内缓慢释放,24h后释放量可达55%以上。体外细胞实验证明MSM/PVA水凝胶对细胞无毒副作用，对细胞增殖具有促进作用，其中以1%MSM用VA对细胞的增殖能力最强。
（二） PEG水凝胶的制备
DAPD001乔从德等人[5]用热引发水溶液聚合法制备了聚乙二醇/聚丙烯酸共混水凝胶。研究了聚乙二醇(PEG)分子量、反应时间、引发剂含量对反应转化率的影响，并对其进行了溶胀度、DSC等的表征。孙大辉，孙燕等人[6]通过分子设计利用接枝共聚法将低熔点的结晶性，不同分子量的PEG接枝到高熔点的PVA高分子骨架材料上，获得具有可逆相变特性、不同相变温度的功能高分子材料，在此基础上制备温敏
性水凝胶，对其温敏性能及影响因素进行了研究。Yohei Kotsuchibashi和Ravin Narain两人[7]通过RAFT聚合，以MEO2MA和OEGMA为单体，合成了核-壳结构的纳米水凝胶，这种水凝胶具有pH和温度双重响应性。
（三）复合水凝胶的制备
1、氧化石墨烯复合水凝胶制备
黄以万[8]用不同含量的氧化石墨烯（GO）纳米片引入到制备水凝胶的单体、引发剂及交联剂混合溶液中，通过原位溶液聚合法成功制备出了两种体系的GO/高分子新型复合水凝胶。李亚平等人[9]采用冷冻-解冻方法制备了物理交联的聚乙烯醇/氧化石墨烯复合水凝胶。刘翠云等人[10]采用与李亚平等人类似的反复冷冻-解冻法制备了聚乙烯醇(PVA)/明胶/氧化石墨烯(GO)纳米复合水凝胶。刘瑞琼[11]等人以无机氧化石墨烯(GO)为交联剂制备了具有较好拉伸性能的有机／无机纳米复合水凝胶。该实验以GO和有机N,N'-亚甲基双丙烯酰胺(BIS)为共交联剂，丙烯酰胺(AM)为单体，采用原位自由基聚合的方法制备了PAM/(GO-BIS)纳米复合凝胶。李志强[12]等人主要以无机粘土、表面改性氧化石墨烯(GO)作为为交联剂，分别制备了具有较好机械性能的半互穿聚合物网络水凝胶；在此基础上制备了双网络(DN)纳米复合水凝胶。
2、壳聚糖复合水凝胶的制备
壳聚糖( CS)是一种无毒、可生物降解、具有良好生物相容性的天然高分子材料, 被广泛应用于环境工程等领域[13]。但壳聚糖亲水性较差，不溶于水，仅能溶解在酸性溶液中 ，限制了其在生物领域和生物大分子药物传输递送上的应用。壳聚糖复合水凝胶相对于壳聚糖水凝胶来讲，各项性能更为优良。因此，壳聚糖复合型水凝胶成为科学家争相研究的对象。
司徒方民等[14]采用聚乙烯醇为基础材料，以季铵盐壳聚糖为抗菌剂，丙三醇为辅料，采用溶液共混法制备聚乙烯醇/季铵盐壳聚糖复合水凝胶作为皮肤烫伤敷料，通过流变实验、抗菌实验、细胞实验以及动物活体实验考察复合水凝胶的综合性能。崔玮[15]采用正交试验法，以持粘力、初粘力、剥离强度以及残留和渗透等多项性能为评价指标，最终确定了壳聚糖(CS)/聚乙烯醇(PVA)复合水凝胶最佳配方和工艺条件，并考察了其各项性能。孔杰、李国强等人[16]在壳聚糖/1,2-
丙二醇凝胶中采用抗坏血酸原位还原硝酸银生成纳米银，进而通过碱液置换得到具有不同纳米银含量的物理交联的纳米银/壳聚糖复合水凝胶。
二、水凝胶的应用进展
高分子水凝胶与生物组织的结构和性能比较相似，生物相容性和生物安全性好[17]，因此被广泛应用于组织工程、药物输送、创伤敷料等领域，同时在对重金属和染料吸附、喷墨打印等非医学方面具有非常广阔的应用前景。
（一）在药物输送方面的应用
席陈彬[18]结合可控/活性自由基聚合、开环聚合、自由基聚合等技术合成了多种两亲性水凝胶，通过相应的修饰，得到具有还原响应性、温度敏感性的聚合物胶束，并分别以共价键载药和非共价键载药两种方式负载抗癌药物，获得了多种新型聚合物纳米药物载体。孙玉涛[19]以羟丙基甲基纤维素为原料，通过反相悬浮聚合工艺，制备多孔纤维素水凝胶微球，并将其应用于药物释放研究中，发现微球的粒径影响茶碱的累积释放率，随着微球粒径的增大，茶碱的累积释放率降低。陈彦青[20]制备了一种以淀粉和聚天冬氨酸为基质的新型的半互穿聚合物网络水凝胶，并模拟肠和胃液的介质中对水凝胶的体外药物释放行为进行了研究。体外药物释放结果说明该水凝胶材料对药物释放具有缓释性，且其药物释放量依赖于溶液的pH和水凝胶的组成，表明该半互穿网络水凝胶有望作为结肠癌的载体材料。单连海[21]合成了聚甲基丙烯酸水凝胶，然后与海藻酸钠进行共混制备共混微球，并进行了共混微球的体外载药释放实验研究，结果发现：在24h内90%药物释放出来,2天内药物基本释放完全,6天后，载药微球完全破裂，在释药时间上，基本上能够跟微球在结肠内的停留时间相吻合。
（二）在重金属和染料吸附方面的应用
随着工业的发展，重金属污染问题日益凸显，寻高效经济地治理污染的方法和材料已经成为备受关注的话题。水凝胶作为低成本、环境友好型的吸附材料逐渐受到环保工作者们的重视[22]。
吴宁梅[23]釆用低温辐射共聚的方法，制备了新型聚合物水凝胶吸附剂——聚(丙烯酸羟乙酯/马来酰胺酸)[p(HEA/MALA)], 研究了其对Pb2+、Cd2+、Ni2+、Cu2+和Zn2+5种重金属离子的吸附性能，研究发现：p(HEA/MALA)水凝胶对二价重金属离子的吸附机理为化学吸附为主，物理吸附为辅：化学吸附依靠于水凝胶中的功能基团，而物理吸附主要依靠于水凝胶的三维网络结构。李云龙等[24]以2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸和丙烯酸为原料，制备P( AMPS-co-AA) 大孔吸附水凝胶，考察了对 Fe3 +的吸附性能，其中对 Fe3 +的吸附容量以及脱除率可达到 4.2 mmol /L 和 90.5%，经过多次反复吸附的水凝胶，对Fe3+仍然有较好的选择性能和重复利用性能。徐继红等[25]以木质素磺酸钠( LS-Na)、2-丙烯酰胺基-2-甲基
丙磺酸(AMPS)、丙烯酸( AA) 为原料，采用微波辐射法，通过接枝共聚反应合成了生物质 LS-g-PAMPS /AA 水凝胶吸附剂。研究了吸附剂用量、染料初始浓度、吸附时间对亚甲基蓝( MB) 染料的吸附性能的影响。结果表明，木质素水凝胶对MB 染料废水具有显著的吸附效果，可以作为阳离了染料废水处理用的生物质吸附剂。
（三）在喷墨打印方面的应用
李志朝等[26]选用 PEGDA 作为打印材料，利用水凝胶可光固化特性和喷头送料加工的优势，提出一种喷墨式光固化跟随生物打印方法。喷头喷出的液滴在紫外光的照射下快速固化，喷头可在二维平面
内移动，材料沉积的基板可在竖直方向移动，其材料成形过程是先由点成线，再由线成面，最后由面成体。（四）在其他方面的应用
水凝胶因其类似于细胞外基质的特点，是三维组织打印和人工器官制备的首选基材。截止目前，用于生物打印的水凝胶主要包括海藻酸钠、壳聚糖、胶原蛋白、琼脂糖等天然水凝胶及其衍生产物，以及人工合成的聚乙二醇、聚多肽等[27]。
王瑶[28]合成了具有多孔结构的聚(N-异丙基丙烯酰胺)-CO-聚[2-甲基丙烯酸3-(N,N'-二乙酸胺)-2-羟基丙基酯](PNIPAM-co-PMACHE)水凝胶，这种水凝胶含有热敏性的PNIPAM链段和具有两性pH响应性及螯合性的PMACHE链段。研究表PNIPAM-co-PMACHE水凝胶具有温敏性，体积相转变温度(VPTT)为32℃。研究发现可以将这种温敏性水凝胶/金属纳米粒子复合物用于催化。
谢建军等[29]探究了聚( 丙烯酰胺-马来酸酐)、聚(丙烯酸-丙烯酸铵)、聚( 丙烯酸- 2-丙烯酰胺- 2-甲基丙磺酸)、聚( 2-丙烯酰胺- 2-甲基丙磺酸-马来酸酐)等体系的恒温保水性能，表明水凝胶能提高砂土的饱和含水量，可对砂土进行有效改良。
展望
由于水凝胶优良的各项性能和特殊的结构，科学界对水凝胶的研究逐渐深入，其应用领域也越来越广
鞋楦机
泛，不仅在医用上有很大用途，在非医用上也实现了很大突破，目前有外国科学家研制出新型水凝胶可以满足4D打印的需求[30]。相信，随着研究的深入，水凝胶会在人类生活的各个领域造福人类。
空调温度控制参考文献
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