聚氨酯水凝膠介紹
聚氨酯塗料以其成膜強度高、彈性好、耐候性、耐磨性優良等特點，廣泛套用於各個領域，受到用戶的普遍重視。常用作為彈性體、表面塗料（油漆及木材清漆）以及黏合劑，並廣泛套用於生物醫藥材料。聚氨酯中含有重複的氨基甲酸酯鏈段，聚氨酯大分子主鏈是由玻璃化溫度低於室溫的柔性鏈段和玻璃化溫度高於室溫的剛性鏈段嵌段而成的。低聚物多元醇（如聚醚、聚酯等）構成軟鏈段，二異氰酸酯和小分子擴鏈劑（如二胺和二醇）構成硬鏈段。在聚氨酯彈性體分子結構中，軟鏈段占的比例較大，約50%—90%，硬鏈段約占10%—50%。由於硬鏈段的極性強，相互間引力大，硬鏈段和軟鏈段在熱力學上具有自發分離的傾向，即不相容性。所以硬鏈段容易聚集一起，形成許多微區（domain），分布於軟段相中。這種現象叫微相分離，微相分離是聚氨酯彈性體物理結構的特徵。聚氨酯彈性體的物性不僅與化學結構有關，而且與微相分離的程度有關,這種結構使其具有比其它高分子材料更好的生物相容性(包括血液相容性和組織相容性)，因而被廣泛用於生物醫學材料領域。
水凝膠是親水性的交聯高分子網路與被其包裹的水構成的一種特殊的分散體系。是一類具有三維網路結構的聚合物，它在水中能夠吸收大量的水分溶脹，並在溶脹之後能夠繼續保持其原有結構而不被溶解。由於其具有三維網路結構，水凝膠可以達到很大的相對分子質量，其網路結構由交聯的化學鍵、氫鍵或范德華力形成。高分子網路的交聯可以是化學的也可以是物理的，水充滿在其中失去了流動性。在溶脹時，溶液可以擴散到交聯鍵之間的空間內，交聯密度越大，三維網路間的空間就越小，水凝膠在溶脹時吸收的水分也越少。水凝膠的直觀性質是具有彈性和易被破壞的固體或半固體。
水凝膠十分脆弱，很容易破損，限制了它們的套用，需要提高水凝膠在溶脹狀態時的機械強度。單一的聚合物又總是不能滿足人們所有的性能要求，離子型水凝膠吸水量大，但吸水速度慢，耐酸、鹼、鹽能力差；而非離子型水凝膠吸水速度快，耐酸、鹼、鹽能力較高。通過不同單體共聚，高分子的接枝共聚，不同類型的高分子材料的共混、複合等方法可以改善這些不足，擴展其套用。由於水凝膠的表面蛋白質粘附及細胞粘附很小，所以在與血液、體液及人體組織相接觸時，表現出良好的生物相容性，同時由於含有大量的水，水凝膠柔軟而類似生物體組織，作為人體植入物可減少不良反應，因而被作為優良的生物醫學材料得到了廣泛的套用。
水凝膠根據高分子來源的不同，可以分為天然高分子水凝膠和合成高分子水凝膠。天然高分子如澱粉、纖維素、果膠、瓊脂等。人工合成類主要有聚乙烯醇類、聚丙烯酸鹽類、聚氧乙烯類、聚丙烯醯胺及其衍生物和聚氨酯。高分子水凝膠大多具有環境回響性，根據對外界刺激的回響情況，水凝膠又可分為分為：溫度回響性水凝膠、pH回響性水凝膠、光回響性水凝膠、壓力回響性水凝膠、生物分子回響性水凝膠、電場回響性水凝膠等。這類水凝膠在相當廣的程度上對環境所引起的刺激有不同程度的應答，具有智慧型性。由於水凝膠的這種智慧型性，近年來對它的研究和開發工作異常活躍，成為當今研究的熱點。
聚氨酯具有良好的生物相容性和優良的物理機械性能，人體對聚氨酯具有良好的生理可接受性，並且可以保持長期人體植入的穩定性。由聚氨酯製備所得的聚氨酯水凝膠綜合了水凝膠和PU兩者的優點，引起人們很大的研究興趣，並已經在生物醫學領域中得到廣泛的套用。
聚氨酯水凝膠研究進展
劉曉華等合成了兩種陰離子型的端烯基聚氨酯(UAA)預聚物,並製備了pH值敏感型的水凝膠,比較了它們的pH值回響性。將UAA預聚物與N-異丙基丙烯醯胺（NIPA)共聚,得到具有溫度和pH值雙重敏感性的水凝膠。研究發現聚氨酯側鏈的引入對NIPA的相轉變溫度(LCST)幾乎無影響，聚合溫度和組成比對所合成的水凝膠性能有較大的影響。唐黎明等通過陰離子型端丙烯酸酯基聚氨酯(UAA)與N-異丙基丙烯醯胺(NIPAAm)的共聚交聯反應,製備了pH/溫度敏感性水凝膠，分析了水凝膠的結構形態及溶脹水的狀態。結果表明，凝膠相結構均勻，隨聚氨酯含量的降低，凝膠的骨架變得鬆散，並且孔道結構增大，導致溶脹凝膠中不可凍結水含量及凝膠強度的降低。
王武生等將端基為可水解矽氧烷的聚氨酯羧基離子體分散於水中，獲得水基聚氨酯分散體。矽氧烷水解縮合形成高度交聯的納米級水基聚氨酯微凝膠(20nm~250nm)。此聚氨酯微凝膠成膜後採用水溶性環氧矽氧烷進一步交聯，獲得高性能有機塗層。掃描電子顯微鏡研究了塗層的結構，在實驗基礎上論述了交聯成膜機理。
黎新明等將聚乙二醇400(PEG400)溶脹的交聯N-乙烯吡咯烷酮(NVP)水凝膠微粒浸漬在含有引發劑過氧化苯甲醯(BPO)的甲基丙烯酸-2-羥基乙酯(HEMA)單體中並加熱引發聚合反應，製備水凝膠-水凝膠複合材料，研究了產物的溶脹行為，並採用SEM、DSC對產物進行了表征。結果表明，水凝膠-水凝膠複合材料的飽和含水量隨交聯NVP水凝膠顆粒的含量及飽和含水量增大而增大，兩種水凝膠之間的界面結構可分為包埋、部分互穿網路以及完全部分互穿網路等三種，其原因在於HEMA單體部分進入交聯NVP水凝膠微粒並進行原位聚合的程度不同；處於分散相的水凝膠與處於連續相的水凝膠的吸水倍率不同，導致水凝膠-水凝膠複合材料吸水溶脹時不同相結構之間互相制約，處於分散相的水凝膠的大分子鏈不能充分伸展，非凍結水的熔融峰被自由水的熔融峰掩蓋，表現為DSC譜圖上非凍結水的熔融峰被自由水的熔融峰掩蓋。
張曉麗等以甲苯二異氰酸酯(TDI)、聚乙二醇(PEG～6000)、二羥甲基丙酸(DMPA)及三乙撐四胺(TEFA)等為原料。合成了溫度、pH、及離子強度敏感性聚氨酯水凝膠(PUHG)。研究了PUHG溶脹率(SR)受溫度(T)，pH、離子強度(I)、交聯劑用量等因素的影響。結果表明PUHG的溶脹率在20~45℃的範圍內隨溫度的升高而減小，45℃後不再變化；在酸性(pH4)溶液中收縮，在鹼性(pH9)溶液中溶脹，表現出良好的pH值敏感性；在一定溫度和pH下，隨著離子強度的增加PUHG的溶脹率減小。水凝膠溶脹動力學研究表明，PUHG具有良好的溶脹一退脹可逆性。
殷爭艷等採用碳酸亞乙酯與乙醇胺反應合成得到含有氨基甲酸酯結構的新型小分子二醇擴鏈劑雙羥乙基氨基甲酸酯，用一步法通過擴鏈劑和合成了聚氨酯聚合物PUA25和PUB25，對其結構用紅外光譜分析，差動掃描量熱法分析進行了表征，其結果表明PUA25微相分離程度比PUB25的低，即PUA25的硬段之間形成氫鍵的數量較PUB25的少，相混和程度大。並以PUA25和PUB25為原料對其形成的物理交聯水凝膠進行了研究發現PUA25能夠製備物理交聯型水凝膠，且該水凝膠隨著冷卻-加熱-冷卻過程的重複而出現凝膠-溶液-凝膠的循環轉變，證明了相容性程度較高的聚氨酯易形成水凝膠。
Choi等採用相對分子質量小於2000的二元醇與異氰酸酯進行反應製取PU預聚體，並將其製成水溶液或溶於非極性溶液中，該溶液中含有烯胺、酮亞胺等物質；然後將上述溶液滴加到含有乙烯醇或水溶性乙烯吡咯烷酮的二氨溶液中，即可形成球狀PU水凝膠。將該水凝膠用於藥物載體時，受體中藥物的濃度在短時間內不會過高，具有緩釋效果，並能維持較長的藥效。
Lee等先將異佛爾酮二異氰酸酯(IPDI)與二羥甲基丙酸反應生成預聚物，然後與聚丁二醇(PBG)進行擴鏈反應，隨後以甲基丙烯酸二羥乙酯(HEMA)作為預聚物的封端劑以引入可反應的乙烯基基團，產物用三乙胺中和，最後進行交聯反應，製得水凝膠。該水凝膠可以用來作為親水或疏水藥物的載體，藥物的釋放速率與水凝膠中PBG的相對分子質量以及pH值有關，即主要與聚合物中離子基團的含量有關。
Kohjiya等分別以羥基封端的聚四氫呋喃、聚氧化乙烯一四氫呋喃一氧化乙烯嵌段共聚物作為軟段，合成了兩種PU水凝膠，並研究了其對藥物結晶紫的釋放行為。實驗結果表明，後者具有更大的溶脹比和藥物釋放速率，這可能與其大分子的結構有關。因為後者不僅含有親水的氧化乙烯鏈段，而且比前者的相分離程度更大，故更有利於藥物的釋放。
賈劍飛等利用互穿聚合物網路(IPN)技術，以溫敏性聚Ⅳ一異丙基丙烯醯胺(PNIPAm)、PU以及具有分子包合效應的β-環糊精為原料，採用分步法和同步法製備了新型互穿網路水凝膠。通過對水凝膠溶脹行為的考察可知，水凝膠具有與PNIPAm相似的在低臨界溶解溫度時的相轉變行為，PU/PNIPAm組成比、線型PNIPAm的相對分子質量以及交聯劑用量等因素對IPN水凝膠的溶脹特性與溫敏特性影響顯著；另外，β-環糊精因具有包合和釋放功能，故在藥物緩釋中套用效果良好。
Haschke等採用PEG、聚丙醇(PPG)與二環己基甲烷二異氰酸酯(HMDI)和IPDI等製備了用於接觸眼鏡的非離子型PU水凝膠，所用擴鏈劑為乙二醇(EG)，交聯劑為三羥甲基丙烷(TMP)和聚氧化丙烯醚三醇。由於引入了不對稱結構的IPDI和PPG，從而降低了硬段的結晶性，提高了水凝膠的柔性、溶脹性和含水率，並具有足夠的透明度；另外由於擴鏈劑和交聯劑的存在，使水凝膠的機械性能得到提高，同時也提高了鏡片的耐用程度。
PetriniI/等採用聚氧化乙烯、脂肪族異氰酸酯、小分子二元醇和交聯劑等原料一步法合成了PU水凝膠，通過調節攪拌速率以引入氣泡的方法合成了無孔和多孔水凝膠。結果表明，在水凝膠狀態下兩者均具有彈性體的性質，在形變恢復過程中只有極小一部分能量損失。因此，該水凝膠可以用於組織工程材料。
MequanintE等採用自由基聚合法合成了PU、2,2一二甲基一1，3一二氧戊環甲基丙烯酸酯嵌段共聚物；通過調節二氧戊環的水解率來調節共聚物的親水性，以製得物理交聯型水凝膠。研究結果表明，單體轉化率和聚合物相對分子質量的改變呈現活性聚合的特點，即兩者與時問呈直線關係；嵌段共聚物的親水性和溶脹能力隨著彈性模量的增加而增大，平衡溶脹行為與水解程度、溫度等因素有關；纖維蛋白原和血小板的吸附率比純PU水凝膠小得多，並且隨水解後丙三醇含量的增加而減少，而血清蛋白的吸附率卻隨著丙三醇含量的增加而增大。由此可知，該嵌段共聚物具有良好的血液相容性，可用於組織工程材料和藥物傳遞系統。
聚氨酯水凝膠的套用及展望
由聚氨酯聚合物製備所得的聚氨酯水凝膠綜合了聚氨酯和水凝膠兩者的優點，引起人們很大的研究興趣，並已經在生物醫學領域中得到良好的套用。①藥物釋放載體：近年來，全世界大力開發能將最低藥物量長時間地維持在患部的藥物傳送系統(DDS)。DDS由儲存藥物、控制釋放速度、驅動釋放3種機構組成。水凝膠兼備這3種機構的功能，它既能調節製劑的強度和硬度，又能起到促進分解、賦形的作用。還能遮蔽醫藥品的苦味和氣味。因此，水凝膠在口服、口腔、直腸、眼部、注射等給藥途徑具有較大的套用潛力。
②角膜接觸鏡：角膜接觸鏡是一種精緻的眼科醫療工具，具有矯正視力和追求美觀的作用，其透氣性和生物適應性是設計及改進接觸鏡的重點課題。譚幗馨等以AIBN為引發劑合成了NVP-HEMA共聚物水凝膠材料，通過細胞生長抑制實驗發現其細胞毒性均為1級，為無毒性材料，而且證明它具有良好的生物相容性。
③組織填充材料：水凝膠作為組織填充劑，可注射面頰、顳部、臀部填充等。聚丙烯醯胺水凝膠是目前國內臨床上廣泛採用的填充材料。交聯聚N-乙烯基吡咯烷酮和交聯透明質酸是新近開發的性能優異的乳房植入用凝膠。聚N-乙烯基吡咯烷酮較傳統填充材料聚矽氧烷射線透過性高，利於乳腺癌的檢診。透明質酸射線透過性良好，植入乳房後，在植入周圍形成的薄膜薄，不易引起薄膜收縮，而且在體內能分解。因此，既使填充凝膠的包囊破損，也不會產生安全問題.
④創面敷料：傷口常常需要敷料加速它的癒合，目前主要有兩種類型的敷料：乾型，如紗布；濕型，水凝膠。紗布的缺點是無法保持創面濕潤；敷料纖維易脫落，造成異物反應；創面肉芽組織易長入敷料的網眼中，換藥時引起疼痛；紗布被浸透時，病原體易通過。水凝膠的優點是可吸收滲液形成凝膠，且吸收滲液後的凝膠不會沾粘傷口；可加速上皮細胞生長，加速新微血管增生；隔絕細菌侵犯，抑制細菌繁殖。目前用水凝膠作創面敷料在美國、日本及歐洲一些國家已經商品化，但在國內除5+5護膚已經研製外 ，尚屬空白。
⑤醫療感測器：生物感測是表面固定了生物分子或細胞的電化學感測器，生物分子一般固定在與生物感測器物理元件相連的水凝膠表面或內部。水凝膠膜是連線生物分子和物理元件的樞紐。製備感測器用的有機系高分子凝膠有褐藻酸凝膠、褐藻酸與殼聚糖複合質凝膠、丙烯醯胺凝膠、N-異丙基丙烯醯胺凝膠。Femandez合成了2-丙烯醯胺-2-甲基丙磺酸與甲基丙烯酸正丁酯共聚水凝膠，用此凝膠包載帶正電荷的依酚氯銨，當外加電場後，帶正電荷的溶質與陽極水解產生的水合離子交換釋藥，實現完全的開關控制作用。
在生物醫學領域，儘管聚氨酯水凝膠涉及的範圍越來越廣，但目前大多數仍處於研究階段，用於產品開發的不多，研究者大多只關注套用領域，理論研究有待深入。我國對聚氨酯水凝膠的研究起步較晚，大多集中在藥物控釋載體、組織填充材料等方面。而且研究人員很少將理論研究與產品合成及性能套用相聯繫，研究帶有一定盲目性和局限性。要使聚氨酯水凝膠更快、更好地發展，要更注重理論研究，尤其是通過分子設計製備具有適宜的擴散和傳遞性能、結構完全可以表征的水凝膠，並利用計算機模擬技術模擬凝膠的結構、行為，進而預測產品的各種物理、化學性質。生命過程極其複雜，諸多問題亟待解決，如凝膠與細胞粘連、細胞的分化和增殖、細胞編程凋亡、細胞毒性、蛋白吸附、生物排異性等，因此，只有化學家、材料學家、分子生物學家和臨床專家的共同努力才能解決高分子凝膠在生物醫學領域套用中所遇到的難題，早日實現凝膠在醫學領域更廣泛的套用。
