说起果冻，是否各位宿舍的零食箱子里就安静地躺着一袋呢？果冻有着鲜艳透明的外观以及 Q 弹 Q 弹的口感，是大家都爱吃的零食。果冻为什么会有这样的特点呢？这是因为果冻在制作时加入了食用明胶，明胶是一种来自动物胶开云 开云体育APP原部分的网状高分子，明胶中有相当多的亲水基团，这些基团能够牢牢的锁住果冻中的果汁，于是果冻在保持一定形态的同时，还能够留住大量的水分。果冻就是我们生活中最常见的一种可食用水凝胶。今天我们继续与各位材子/材女唠一唠新材料，聊一聊水凝胶的故事~

　　水凝胶（Hydrogel），简而言之，就是以水为分散介质的凝胶，高含水量是其区别于其他凝胶物质的一大特点。如何使水能够被牢牢地留在水凝胶之中呢？这是通过交联状态下的水溶性高分子网络实现的。在具有网状交联结构的水溶性高分子中引入一部分疏水基团和亲水残基，亲水残基与水分子结合，将水分子连接在网状内部；而疏水残基遇水膨胀，使水凝胶能维持一定的体积形态。

　　生活中水凝胶的应用可不止于果冻哦， 在方方面面都有水凝胶的身影。从建筑中的结露防止剂到矿业中的抑尘剂，从化妆品中的面膜到很多材子材女们常用的隐形眼镜，水凝胶在不同的领域都有其独特的用处。

　　1960 年捷克的 Lich terle O 发明了用聚甲基丙烯酸-2-羟乙基脂（PHEMA）水凝胶制备软质隐形眼镜（SCL），直到现在仍是市场的主流。

　　作为软质隐形眼镜的制备材料，水凝胶不仅具有良好的生物相容性还有着良好的光学性能、透氧性能、加工性能和一定的机械强度和弹性模量。

　　以透氧性能为例。人的眼角膜上没有血管，不能靠血液来供给氧气，而是需要直接从空气获取氧来维持其新陈代开云 开云体育APP谢。佩戴隐形眼镜后，角膜的供氧明显减小。因此，用作隐形眼镜的水凝胶必须有良好的透氧性能。根据 Yingjun Wang 等人的研究，水凝胶膜的透氧机理为氧气在水凝胶膜中的溶解-扩散-释放过程，Kaiyun App下载 全站其中氧气在水凝胶膜中的扩散过程对透氧性能起决定性的作用。而氧气在水凝胶中的扩散过程又主要受水凝胶中自由水水分子无规则热运动（布朗运动）的影响，Kaiyun App下载 全站同时水凝胶的交联网络结构也对氧气的扩散起到了过滤的作用。因此，降低水凝胶的交联密开云 开云体育官网度，提高自由水的含量可以提高水凝胶的透氧性能。

　　针对水凝胶隐形眼镜透氧性差的缺陷，蔡立彬等制备了用硅氧烷改性的具有较高透氧性能的水凝胶：将 γ-（甲基丙烯酰氧）丙基三甲氧基硅烷（KH570）与 HEMA 、NVP 共聚。其透氧机理既包括上述的氧气在自由水中的扩散开云 开云体育APP过程，又有溶解在水中的氧气分子在 KH570 构成的毛细管的扩散。另外，有机硅的加入，同时也起到了增强材料机械性能的作用。目前硅水凝胶镜片经历了一、二、三代原材料的发展，已经进入市开云 开云体育官网场，成为了一种高档隐形眼镜。

　　水凝胶的交联方式可以分为物理与化学两种。对于特定的水凝胶，可能同时存在这两种交联，并且协同以达到特定性质。丙烯酸 / 壳聚糖-聚吡咯水凝胶的自愈合性就是以物理和化学交联的组合为原理，通过聚（丙烯酸）和三价铁离子的羧基之间的动态离子相互作用来实现的。性能测试还显示，该材料能够在两分钟内完全自身修复，并且还可在 30 秒内恢复其电性能的 90％，而无需外部刺激。这种自愈合性的水凝胶还被进一步用于人体运动检测（human motion detection）与 3D 打印。

　　PEG 水凝胶具有人为可控的生物降解能力，能在蛋白质修饰后具有更强的生物活性，Kaiyun App下载 全站并且拿到了 FDA（美国食品药品管理局）的许可证，是一种理想的可用于人体内的水凝胶材料。哥伦比亚大学 Chin 团队采用 3D 打印技术，用 PEG 水凝胶制作出了一款可以植入到人体内的微型药物机械输送装置。通过控制 PEG 分子链长和浓度，能够得到不同强度的凝胶材料（从人体软组织强度的 10Kpa 到橡胶的强度的 10Mpa），分别用来打印不同的组件部分。

　　那么这个装置是靠什么来驱动的呢？水凝胶能够通过与不同的材料共交联来实现不一样的性质。这个装置内部填充的水凝胶掺杂有磁性颗粒，从而能够在磁力作用下运动，带动装置的齿轮转动，实现驱动。

　　在小鼠植入实验中，通过荧光检测，观察到了装置的稳定运作，并且检测到持续稳定释放的阿霉素。并且这种释放是可控的，可以根据病情的实时变化而在无创的情况下来临时改变药物缓释量，并且能避免阿霉素过多产生的生理毒性。

　　水凝胶广泛用于组织再生，因为其分子结构与生物体内天然的细胞外基质（ECM）相似。其作用是为周围的活细胞提供结构和营养。支撑结构和营养环境因组织类型而异，例如动脉需要管状结构，骨细胞则在多孔材料中繁殖得更好。

　　已经有将三维打印高强度水凝胶支架应用于骨组织修复中的研究[6]。这项研究中应用的是聚（N-丙烯酰基甘氨酰胺）—粘土（PNAGA-Clay）纳米复合水凝胶。

　　凝胶中 PNAGA 侧链双酰胺多重氢键作用，赋予了该凝胶体系优异的力学性能——打印出的支架可以被随意弯折，甚至能承受汽车车体的碾压且能迅速恢复原貌，承受高压后的支架结构保持良好。同时，该凝胶支架在PBS溶液中长期浸泡后，不会发生明显溶胀且稳定性良好，这对于三维打印水凝胶支架后形貌的保持至关重要。

　　这项研究通过利用 3D 打印的方式注入凝胶和粘土颗粒—一种与人骨自然相似的材料，用于治疗不同程度的骨折。研究人员通过添加不同量的粘土颗粒来控制材料的结构和流动之间的平衡。而且体内体外实验均表明，纳米粘土中含有的活性离子，可以促进成骨细胞在支架上的增殖以及分化，并有效地促进新生骨组织在缺损部位甚至支架内部的生长。

　　[5] 王延龙，2014，硅水凝胶隐形眼镜材料的合成与性能研究，《应用化工》第43卷第2期，136-138页

　　[7] 杨硕硕，2016.6，《光聚合可注射仿生软骨的构建和性能研究》，硕士学位论文