水凝胶

华东理工大学2012—2013学年第二学期《高分子物理》课程论文2013.4班级材控111学号10112186姓名李阳开课学院机械与动力工程学院任课教师韩晶杰成绩__________ 论文题目：水凝胶在生物医学领域的应用 论文要求：字数至少5000字关键词为：水凝胶至少参考5篇文献 教师评语：华东理工大学2012—2013学年第2学期《高分子物理》课程论文2013.4开课学院机械与动力工程任课教师韩晶杰 打分（给分）依据 全文是否符合综述文章的结构要求？题目、摘要、关键词、正文、结论、参考文献是否齐全？文章的主要内容是否按照关键词的内容展开？是否有跑题或主题杂乱的问题？文章的主要内容是否是对近年来科研工作的 总结 初级经济法重点总结下载党员个人总结TXt高中句型全总结.doc高中句型全总结.doc理论力学知识点总结pdf ？内容是否过于浅显、科普？参考文献是否按照格式要求进行安排？文章的字体、行间距等格式是否按照要求？是否前后统一？文章内容是否有明显的错误？是否存在明显的抄袭现象？水凝胶在生物医学领域的应用内容摘要：水凝胶是一种具有亲水基的聚合物，由于其对低分子有较好的的透过性，具有良好的生物相容性等特点，广泛应用于生物医学领域。本文论述了水凝胶在烧伤敷料，组织工程支架材料，接触眼镜等方面的应用。关键词：水凝胶敷料组织工程生物相容性注射水凝胶5水凝胶在生物医学领域的应用51.水凝胶的分类51.1天然水凝胶51.2合成水凝胶62.水凝胶用作烧伤敷料62.1理想敷料的要求62.2传统敷料与生物敷料62.3水凝胶敷料62.2.1水凝胶敷料的特点73.水凝胶在组织工程中的应用73.1组织工程73.2水凝胶在组织工程中的应用实例83.2.1组织用海藻酸盐水凝胶83.2.2透明酸制水凝胶93.2.3壳聚糖水凝胶94.水凝胶用于制造角膜接触透镜94.1聚乙烯吡咯烷酮(pvp)类水凝胶104.2壳聚糖类水凝胶104.3有机氟类高透氧性水凝胶104.4仿生材料水凝胶115.结束语116.参考文献水凝胶在生物医学领域的应用水凝胶是一类具有亲水基团，能被水溶胀但不溶于水的具有三维网络结构的聚合物。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。它能够感知外界刺激的微小变化，如温度、pH值、离子强度、电场、磁场等，并能够通过体积的溶胀或收缩等方式对刺激发生敏感性的响应。水凝胶对低分子物质具有较好的透过性，有优良的生物相容性，具有药物缓释性能。因此，水凝胶在生物医药、组织工程等方而得到了广泛应用，如可作为组织填充剂、药物缓释剂，酶的包理、蛋白质电泳、接触眼镜、人工血浆、人造皮肤、组织工程支架材料等。1.水凝胶的分类水凝胶种类繁多，根据来源可分为天然水凝胶和合成水凝胶。天然凝胶由生物体如琼脂、魔芋、蛋白质等制备，合成凝胶由人工合成交联高分子，同时或再令其吸水而成凝胶。1.1天然水凝胶形成水凝胶的天然高分子材料主要有胶原、明胶、透明质酸盐、纤维蛋白、藻酸盐和壳聚糖等。天然水凝胶大多无毒，而且对机体的刺激性很小，性能优良。但是它们的主要缺点是力学性能太差，一般只能和其他材料配合使用，或者通过化学改性来提高力学性能。1.2合成水凝胶目前用于合成水凝胶的高分子材料主要有丙烯酰胺、丙烯酸、聚乙烯醇、甲基丙烯酸羟乙酯、聚氧乙烯、聚丙烯酸等。合成水凝胶没有免疫原性，易于制备，且价格较天然水凝胶便宜。但是，合成水凝胶主要由自由基引发剂和交联剂进行交联的，而应用自由基引发剂及交联剂尚有缺点，即单体残留、交联剂或引发剂残留等都会引起炎症或细胞毒性。2.水凝胶用作烧伤敷料2.1理想敷料的要求理想敷料应具备以下功能：防止水分和体液的过度散失；抵御细菌的入侵，防止感染；与创面帖合良好，但不应与创面粘合以免更换敷料带来二次损伤；透湿透气并使创面处于湿润但又没有积液的环境；生物相容性好，并最好具有能促进伤口愈合的功能。2.2传统敷料与生物敷料传统敷料主要是指医用脱脂棉纱布，虽然它有许多优点，但是由于其吸液量不够大，需要厚厚的包扎并经常更换，敷料在吸液后易干燥并与伤口发生粘连而造成二次创伤等缺点逐渐被其它敷料所代替。生物敷料主要有尸体皮，冻干的猪皮，羊膜等。这些敷料虽然比传统的医用脱脂棉纱布有很大的改进，也接近理想敷料的要求，但是由于其不易获得而且保存时间短等缺点使其应用受到了很大的限制。因此研制开发组成稳定，价格低廉，抗原性弱的合成覆盖物和生物合成的敷料已经十分必要。2.3水凝胶敷料目前常见的水凝胶敷料有胶原，甲壳素敷料，海藻酸钠敷料，合成高分子水凝胶敷料。与传统的医用纱布相比，水凝胶敷料不与伤口粘连，不破坏新生上皮和肉芽组织，更换容易，病人舒适，已成为烧伤、创伤、烫伤、褥疮等皮肤损伤病人的理想选择。目前在市场上可以购买得到水凝胶敷料有：ConvaTec公司的DuoDerm；Coloplast公司的Comfeel；Hol—lister公司的Restore；Smith＆NephewUnited公司的Intra—Site及Replicare。但是昂贵的价格使很多患者望而却步。2.2.1水凝胶敷料的特点（1）透水、透气而能控制水分蒸发，明显减轻创面的渗出，能防止体液和水分的损失且不会造成敷料与创面之间的积液，减轻疼痛。（2）与创面的生物相容性好，保湿型强。（3）能够均匀紧密的粘贴在创面上，具有良好的顺应性，组织细菌入侵。（4）在使用时呈溶胀状态，柔软且具有橡胶弹力，减轻外来因素对创面损伤细胞及组织的刺激和机械损伤。（5）消除创面的干、紧、痛、痒等感觉。（6）医用水凝胶创伤敷料覆盖创面后，有持续的冷效应，早期能阻止烧伤创面深度进一步加深。（7）具有高透明性，便于临床观察创面情况。（8）保持、促进上皮组织正常生长，促进创面愈合，不留或减轻疤痕。3.水凝胶在组织工程中的应用3.1组织工程组织工程学，也有人称其为“再生医学”，是指利用生物活性物质，通过体外培养或构建的方法，再造或者修复器官及组织的技术。组织工程常用的策略是从患者的小块活体组织中分离出特异细胞，在精确控制培养条件下使细胞在三维多孔支架内生长、扩增形成结构物，再将细胞／支架结构物植入到体内所需部位，引导新组织在支架内形成，而支架随着组织的形成而逐渐降解消失，损伤的器官或组织得以重建。生物材料支架起着细胞生长和干细胞分化成特异细胞的力学支撑作用，也发挥着细胞活性因子控制放载体的功能。生物材料在大多数组织工程策略中起着重要作用。理想的生物材料支架即合成细胞外基质应能使细胞组织构成三维结构，提供刺激，引导期望组织形成及生长。针对不同组织的特性和功能，所设计的支架材料及其性能也应有所不同。常用的支架材料如聚(丙交酯一共一乙交酯)或聚(乳酸一共．乙醇酸)(PLG)已被美国食品与药物管理局(FDA)批准用于体内，但因其疏水性过强，在较苛刻条件下才能加工，不利于生长因子的负载和活细胞的转载，因此使用高度水合的聚合物材料(含水质量分数>30％)水凝胶作为支架材料，便成为组织工程的另一种选择。3.2水凝胶在组织工程中的应用实例3.2.1组织用海藻酸盐水凝胶由于海藻酸钠的生物相容性，低毒性和相对低廉的价格而被广泛地研究应用于药物释放体系和组织工程领域。海藻酸是一类从褐藻中提取出的天然线性多糖，由1-4键合的M单元和G单元残基组成，M单元的生物相容性较G单元优良，而G单元的刚性大于M单元因此在水溶液中海藻酸盐的弹性以MG，MM，GG的顺序依次减小。富含G单元的海藻酸盐水凝胶由于减少了弹性长度而形成更加开放的网络从而具有更高的硬度。同时，增加G含量也提高了力学刚性和压缩模量，这些都是适用于软骨组织工程的优良特性。Glicklis等制备出具有相互贯通多孔海绵结构的海藻酸盐水凝胶，将它作为肝细胞组织工程的三维支架材料，可增强肝细胞的聚集性，从而为提高肝细胞的活性以及合成纤连蛋白能力提供了良好的环境。用Ca2+交联的海藻酸盐水凝胶也可作为鼠骨髓细胞增殖的基质，起到三维可降解支架的作用。Paige等研究缓慢聚合的海藻酸钙水凝胶作为可注射软骨细胞的载体。他们把刚从牛前肢取得的关节软骨细胞与海藻酸盐水溶液混合，然后注射到无胸腺小鼠体内。6周后，在注射部位附近取下新形成的组织，进行组织学的分析，结果 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明有透明软骨的形成。将海藻酸盐水凝胶应用于组织工程领域时最大的问题之一就是它不具有细胞识别位点，海藻酸盐水凝胶进入体内后，其强亲水特性不利于蛋白质的吸附，因此不能与细胞进行特异结合，而对水凝胶的适当修饰则可以解决这类问题，所以组织工程将是海藻酸盐水凝胶今后的发展方向。3.2.2透明酸制水凝胶透明质酸具有黏弹性和低剪切力，可用作药物、蛋白和肽的转载系统，在组织工程中用于骨缺损的修复、伤口的愈合和软骨组织扩增。Duranti使用可注射非动物源透明质酸水凝胶RestylaneTM进行软骨组织扩增。透明质酸衍生物可改善其在动物体内的持久性，并且具有良好的生物相容性。组织学分析表明，交联的透明质酸水凝胶皮下注射后能够在组织中长久地维持其形状和性能。Barbucci等用50%羧基交联的透明质酸水凝胶治疗骨性关节炎。把50%透明质酸水凝胶注射入兔子的关节缺损处，结果发现关节组织的表面形成一层透明软骨填充在缺损处，说明该水凝胶对软骨组织的缺损有修复能力。透明质酸需要纯化以除去杂质和内毒素，而且其力学性能较差，这些都限制了透明质酸的使用。3.2.3壳聚糖水凝胶壳聚糖是具有生物相容性、可生物降解的阳离子多糖，结构为（1，4）-2-氨基-2-脱氧-β-D-葡聚糖，通过甲壳质部分脱乙酰基可得到不同脱乙酰度的壳聚糖。脱乙酰度、相对分子质量是壳聚糖的两个主要性能指标。壳聚糖广泛应用于伤口包扎、细胞微包囊材料等。由大量实验表明，由壳聚糖／磷酸钙复合物制备的可注射可吸收支架是组织再生的良好备选材料。壳聚糖的结构类似于细胞外基质糖胺聚糖GAGs，可生物降解，生物相容性好，可以和很多阴离子聚电解质以多种方式复合，形成多种生理环境响应凝胶，但和其他水凝胶一样力学性能较低，这在很大程度上限制了它的应用。4.水凝胶用于制造角膜接触透镜角膜接触透镜俗称隐形眼镜，是一种兼具矫正视力、治疗和美容等用途的眼科医疗用具；由于佩戴它既不影响人体外观形象，随身携带轻巧方便。而且，矫正视力的效果比普通眼镜更为显著，所以它受到很多消费者的喜爱。在医学界，接触透镜作为辅助器具被广泛应用；例如接触镜吸药后，可作为给药工具使药物在眼部长时间释放，达到治疗的目的。4.1聚乙烯吡咯烷酮(pvp)类水凝胶PVP水凝胶具有良好的生物相容性等优异性能而被广泛用于接触透镜材料，NVP与其他亲水性或者非亲水性单体共聚所得到的水凝胶，具有较好的透光性和生物相容性，含水量比较高，透氧性也比较好，适合制造角膜接触镜。目前日本、美国等国家已在市场上推广NVP共聚水凝胶接触透镜材料。但是，含PVP的水凝胶角膜接触镜材料，强度均不高，必须与HEMA、MMA等单体共聚以提高机械强度。4.2壳聚糖类水凝胶壳聚糖是甲壳素脱乙酰化后的产物，材料具有成膜性、生物活性以及吸湿、保湿性，可以用于制造软接触镜。采用壳聚糖制造的软接触镜，具有较好的染色性、透氧性和促进伤口愈合的特性，可以作为美容镜以及用于眼科手术辅助治疗。4.3有机氟类高透氧性水凝胶用成孔材料聚(亚烷基)二醇、氟化醇、氟表面活性剂和丙烯酰胺类单体共聚，制备含有全氟聚醚(PFPE)单元的多孔大单体。该大单体与异丙醇等聚合得到高含水的水凝胶材料，其透氧性高，可用作软接触透镜材料。此外PFPE与NVP和MMA以适当比例混合，制得的高透氧性水凝胶柔韧性高。随后开发出将有机硅和有机氟相结合的氟硅氧烷水凝胶，乙烯基氟硅氧烷和亲水性单体DMA或NVP等聚合制各接触透镜材料。该材料引进亲水性单体改善了硅氧烷侧链的疏水性，氟化基团改善抗沉积性，而且可通过调节单体配比改善接触透镜的软硬度。其优点诸如：镜片的透氧性、光学性能、使用寿命及生理相溶性高于传统软性镜片；镜片不容易被污染，保养方法简单；长期使用不会有炎症反应，健康安全等。4.4仿生材料水凝胶向含有机硅水凝胶中添加磷酸胆碱衍生物(Pc)的仿生材料，这种材料含有两性离子基团，材料离子渗透性优异；不同系列的含水量最高达58％，最佳透氧性Dk值达80。采用这种材料制造的角膜接触镜，具有较好的保湿性，能够抗泪液中的蛋白质沉淀，不需要使用蛋白酶片消毒；良好的透氧性和透离子陛，可延长佩戴时间。由于普通水凝胶接触透镜材料满足人眼需要的氧气透过率，是通过增加凝胶的含水量实现的，隐形眼镜含水量太高会起一系列并发症。目前对隐形眼镜材料研究的热点在于用大分子有机硅、有机氟对水凝胶进行改性，研究普遍使用大分子聚二甲基硅氧烷与亲水性单体共聚，而本课题选用含有C=C双键的硅氧烷单体对水凝胶进行改性，丰富了水凝胶软接触透镜材料的研究方法。结束语水凝胶在生物医药方面已经取得了广泛的应用，但是还有很多问题没有解决，影响着水凝胶材料的进一步发展。水凝胶的许多优异性能，相信在这些问题解决之后会很快更广泛的应用在生物医药领域之中，给很多疾病的治疗带来福音。6.参考文献[1]罗芳.生物医用水凝胶材料的研究进展[J].广东化工,2011,38(8):104-105.DOI:10.3969/j.issn.1007-1865.2011.08.054.[2]蒋琰,陈满,陈明等.光聚合水凝胶及其在组织工程中的应用[J].高分子通报,2007,(10):26-33.DOI:10.3969/j.issn.1003-3726.2007.10.005.[3]陈涛,姚康德.可注射水凝胶在组织工程中应用进展[J].化工进展,2004,23(8):827-831.[4]杨振,杨连利.水凝胶的研究进展及发展新动向[J].化工中间体,2007,(1):5-10.DOI:10.3969/j.issn.1672-8114.2007.01.002.[5]罗建斌,方国芳,谢兴益等.水凝胶烧伤敷料研究进展[J].生物医学工程学杂志,2004,21(1):156-159.[6]刘文广,姚康德,戚务勤等.水凝胶研究的最新进展[J].高分子材料科学与工程,2002,18(5):54-57.[7]罗晓燕,尹玉姬,娄翔等.水凝胶在组织工程中的应用进展[J].天津工业大学学报,2004,23(4):88-93.DOI:10.3969/j.issn.1671-024X.2004.04.024.[8]周煜竣.新型水凝胶用作医用敷料的研究[D].中山大学,2006.[9]金阿平,时述党,鲁继增等.医用水凝胶创伤敷料在面部烧伤创面的应用[J].中华损伤与修复杂志(电子版),2010,5(2):227-230.DOI:10.3969/cma.j.issn.1673-9450.2010.02.013.[10]李进进,朱南康,陈国强等.医用水凝胶的研究进展[J].国外丝绸,2009,24(3):26-28.DOI:10.3969/j.issn.1674-8433.2009.03.010.[11]韩慧芳.有机硅改性PVP水凝胶软接触透镜材料的合成与性能研究[D].广东工业大学,2004.DOI:10.7666/d.y597163.[12]何淑兰,尹玉姬,张敏等.组织工程用海藻酸盐水凝胶的研究进展[J].化工进展,2004,23(11):1174-1178.[13]朱文,段世锋,丁建东等.组织工程用水凝胶材料[J].功能高分子学报,2004,17(4):689-697.DOI:10.3969/j.issn.1008-9357.2004.04.032.