摘要：智能水凝胶对外界微小的物理化学刺激，如温度、电场、磁场、光、pH、离子强度或压力等能够感知并可在响应过程中有显著的响应性或溶胀行为。本文介绍了智能水凝胶的分类，同时综述了智能水凝胶在药物控释、医用敷料、生物工程等方面的应用并对其发展趋势及前景作了简单的预测。 关键词：智能 水凝胶 生物医学 生物材料
Application and development of Intelligent Polymer Hydrogels to Biotechnology and Medicines
Abrstract: Intelligent hydrogels for tiny external physical and chemical stimuli such as temperature，electric and magnetic fields，light，pH，ionic strength or perceived pressure to respond to the process in significant swelling of the act or respond.This article introduced the classification of intelligent hydrogels and at the same time ,an overview of the applications about intelligent hydrogels in controlled drug release，medical dressings，bio
engineering，and then make predictions about their development trends and application prospects.
Keywords: intelligent hydrogels biomedicine biological material
引言
水凝胶(或称含水凝胶)为亲水性但不溶于水的聚合物，是由具有交联结构的水溶性高分子中引入一部分疏水基团而形成能遇水膨胀的交联聚合物。水凝胶是一种高分子网络体系，性质柔软，能保持一定的形状，可以吸收大量的水。凡是水溶性或亲水性机器人拉车的高分子，通过一定的化学交联或物理交联，都可以形成水凝胶。生物机体的许多部分(如人体的肌肉、血管、眼球等器官)都是由水凝胶构成的，有的生物如海参其大部分由水凝胶组成的，然而海参不但能够从周围吸取养分、繁殖子孙，而且还具有防御能力。海参在受到外界的触摸后迅速进行响应，柔性躯体会变得僵硬或部分体壁变成粘性物质以防被抓住。海参的这种刺激响应性是由于其体壁的原始器官是由一种高分子“水凝胶”组成，水凝胶受到外界刺激后会吸附钙离子，使体壁变成韧性结构。据水凝胶对外界刺激的响应情况，水凝胶可以分为传统水凝胶和智能水凝胶。前者对环境的变化不敏感，后者对于外界微小的物理、化学刺
激，如温度、pH值、电场、磁场等能够产生敏感响应，自身一些理化性质会发生变化[1]。
智能水凝胶作为一种新型智能高分子材料，在生物工程及医学领域引起了广泛的重视和关注，因为它们不但能感应周围环境的变化，而且本身会从收缩状态变为溶胀状态，体积产生显著的变化，与此同时，智能水凝胶还具有受动功能。智能水凝胶具有很多独特的功能，如溶胀性、机械性、渗透性、表面特性等，这些特性使得水凝胶在组织工程、生物工程及药物控制等领域具有非常广泛的应用前景。
1水凝胶的分类
一些物理和化学刺激可以导致智能水凝胶体系产生不同的响应。物理刺激包括温度，电场，光，磁场等；化学刺激包括pH，生物分子等。根据水凝胶体系对不同的刺激而产生的不同响应，水凝胶大致分为以下几大类：温度敏感型水凝胶、pH敏感型水凝胶、光敏感型水凝胶、磁敏感水凝胶、葡萄糖敏感水凝胶。
1.1温度敏感型水凝胶
温度敏感型水凝胶是指随温度变化体积发生改变的水凝胶，这类凝胶有最低临界共溶温度
（Lower Critical Solution Temperature,LCST）[2],在这一温度附近会发生体积的突然收缩和膨胀。在低温下溶胀度高，高温下溶胀度低的属于热缩型水凝胶，此类凝胶研究最多的是聚N—N异丙基丙烯酰胺；反之属于热胀型水凝胶，有聚丙烯酸和聚N，N—二甲基丙烯酰胺等[3]。温度敏感型水凝胶的共同特点是体系中存在疏水基团，如甲基，乙基等。温度敏感型水凝胶又分为消极热敏型，积极热敏型和热可逆水凝胶。一些温敏水凝胶的临界相转变温度接近于人体的温度，温敏型水凝胶能感应病原体或热原(如发热、肿瘤)存在下人体温度变化，改变自身膨胀，收缩状态，可作为药物释放的骨架材料、控释膜设计靶向释药[4]和基因递释系统[5]。旧水凝胶的这一特性使得其在生物工程及医药领域具有很广泛的发展前景。
1.2 pH敏感型水凝胶
pH敏感型水凝胶是指其体系的溶胀或消溶胀是随环境中pH的变化而发生变化的。这类凝胶中含有大量易水解或质子化的酸、碱基团，如羧基和氨基。这些基团的解离受外界pH的影响；当外界pH变化时，这些基团的解离程度相应改变，造成内外离子浓度改变，另外这些基团的解离还会破坏凝胶内相应的氢键，使凝胶网络的交联点减少，造成凝胶网络结构发
生变化，引起水凝胶溶胀度的变化。随着外界pH值逐渐增加，水凝胶中的分子链上的羧基开始解离，分子之间的静电排斥作用力增强，最终导致水凝胶的溶胀度逐渐增加。但是当阴离子之间的静电排斥作用力与网络的回弹力达到平衡时，再增加羧基含量水凝胶的溶胀度比也不会增加[6]。因此这类拥有大量的离子化基团的聚合物又被称为聚电解质。聚阳离子型是消极型水凝胶，聚阴离子型是积极型水凝胶。在医药领域，根据其对pH变化产生响应的特点，这类水凝胶更多的被用于药物的靶向性释放。
梁延淼1.3光敏感型水凝胶
光敏感型水凝胶是由于光辐射（光刺激）使得聚合物性能改变的凝胶。这类凝胶一般在聚合物链段上有发基团或是在形成凝胶的体系中加入光敏分子。光照下，光敏基团或分子发生光异构、光离解，因光敏分子或基团构象发生变化和偶极矩变化可使凝胶溶胀发生变化[7]。光敏水凝胶的这一特性可用于药物的控制释放。常见的异构化反应有无三苯基甲烷衍生物解离和偶氮基团的顺反异构。目前，此种凝胶是由热敏性材料中引入对光敏感的基团制成的。光敏材料的响应性机理有3种，一种是热敏性材料中的特殊感光分子，将光能转化为热能，使材料局部温度升高，当凝胶内部温度达到热敏性材料的相转变温度时，则
凝胶产生响应。比如，将吸光产热分子叶绿素与温敏水凝胶PNIPA以共价键结合，当用紫外线照射时，该凝胶出现相转变现象。另一种是利用光敏分子遇光分解产生的离子来改变凝胶内外的离子浓度差，造成凝胶渗透压突变，从而实现响应性[8]检修电源箱。
1.4磁敏感型水凝胶
磁敏感型水凝胶由高分子三维网络和磁流体构成，磁敏感的溶胀行为能对外加磁场做出响应。磁敏感型水凝胶的优势是磁场刺激是一种非接触力，所以更易设计成生物医学装置。这类凝胶由于在外加磁场作用下有简单、快速易行的磁分离特性，在细胞分离，固定化酶，靶向药物等领域的应用研究中也日益活跃[9]。此类凝胶由于它在外加磁场作用下有简单、快速易行的磁分离特性，在细胞分离，固定化酶，靶向药物等领域的应用研究中日益活跃，有较好的应用前景[10]。
1.5生物敏感型水凝胶
有些凝胶的溶胀行为会因为某些特定生物分子（如葡萄糖，酶和DNA分子等）的刺激而突变，这类水凝胶称为生物敏感型水凝胶。
1.6电敏感型水凝胶
这种水凝胶由高分子电解质网络构成，在直流电场作用下可发生形变，其响应性与溶液中自由离子在直流电场作用下的定向移动有关。原因是自由离子定向移动会造成凝胶内外离子浓度不均，产生渗透压变化引起凝胶变形。再一个原因是自由离子定向移动会造成凝胶中不同部位pH的不同，从而影响凝胶中聚电解质电离状态，使凝胶结构发生变化，造成凝胶形变。例如，载胰岛素的凝胶对胰岛素的释放受电场开关的控制，具有通断特性[11]，可用于药物控制释放体系，通过控制电场开关来控制药物释放的通断。
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1.7压力敏感型凝胶
压力敏感型凝胶是随压力增加而溶胀、压力降低而收缩的凝胶。水凝胶的压力依赖性最早是由Marchetti通过理论计算提出的，其计算结果表明：凝胶在低压下出现坍塌，在高压下出现膨胀。
1.8 pH及温度双重敏感性水凝胶
除温度变化外，当温度敏感聚合物或水凝胶所处的环境发生其他一些变化时，聚合物的溶
解或水凝胶的溶胀行为也会受到影响。pH敏感型水凝胶是体积能随环境pH、离子强度变化的高分子凝胶。具有pH敏感型的水凝胶可用于药物靶向释放。例如海藻酸钠，海藻酸钠是一种聚电解质，其分子链中含有大量的羧基（-COOH)，羧基的离解程度与环境的pH值有关。由于其具有低毒性、良好的生物相容性、造价相对较低，且能与二价阳离子(例如Ca2+、Mg2+、Ba蓄电池恒温箱2+和S平面度怎么测量r2+)形成简单的凝胶等特点，所以被广泛应用于药物输送与组织工程领域[12]。
2.智能水凝胶在生物医药领域的应用
智能型水凝胶由于其对环境感应的多样性和敏感性而具有良好的应用前景。近年来．随着对智能材料研究工作的不断开展，智能水凝胶也引起了人们越来越浓的兴趣，随着现代材料科学的发展，智能型水凝胶作为一类新型的智能高分子材料，其应用备受人们的关注，并日益成为智能材料这一前沿课题中重要的研究对象。
2.1 在药物控释放系统中的应用
药物的控制释放是一门新兴的交叉学科，药物控制释放技术就是将药物或其他的活性物质
与适当的载体按一定的形式制成制剂，控制药物在人体内吸收、代谢以及排泄的过程。在传统的给药方式中，病人在服用药物冲剂、药丸或者使用针剂后，体内的药物浓度在服药后短时间内迅速达到最高值，此时病人体内的药物浓度已明显超过了疾病时所需要的浓度。这些多余的药物会对人体产生副作用，使人感觉不舒服，严重的甚至会出现中毒症状。随着胃中药物的不断消耗，体内药物的浓度会逐渐下降，直至药物浓度为零，如此循环，直至病愈。由此可知，传统的服药方式会导致体内的药物浓度呈波浪式趋势，因此一种缓释药物系统应运而生。该缓释药物系统能使体内的药物浓度保持在疾病时所需要的浓度，使药物在指定部位持续而稳定地发挥作用；或者减少药物的用量和给药次数，控制药物的吸收速率和排泄速率，从而维持体内所需要的药物浓度[13]。
