文 献 综 述

一、概述

水凝胶在最近二三十年中一直是一个研究热点。各种不同组成、结构和性能的水凝胶已经被制备出来,并应用于生产和生活，并且，水凝胶作为智能材料广泛应用于各种领域，其中最重要的领域就是生物医药工程。然而，由于水凝胶力学强度较低，大大限制了它在许多领域的应用，如不可降解的药物载体、组织工程支架、酶工程、细胞工程等^[2]。研究人员也在不断的探索，如果能制备出与人体软组织性能接近并与人体相容性好的水凝胶来代替受损的软组织，那将是一种更好的选择。

生物进化经过了亿万年的历史，生物体内的各种组织都经过漫长的进化过程，形成了最有利其生存成长的结构和性能。生物体内的水凝胶主要是以规整的聚集态结构(有的甚至含有晶态结构)存在的，分子之间存在较强的相互作用力，使得体系的机械强度大幅度提高^[3]。如人类的软骨，在含水量超过70%时,抗压强度仍然达到几十兆帕。生物水凝胶结构的规整性基于细胞的规则排列，而人工合成还难以做到这一点。虽然要达到生物水凝胶的有序结构还有很长的一段路要走，但人们依然可以利用物理的或化学的方法制备一些结构比较规整的水凝胶。近年来，合成具有规整微结构的高强度水凝胶的研究工作吸引了许多研究者的兴趣，并且已经取得了一些进展^[1] 。

二、水凝胶强度的影响因素

众所周知，大量的生物材料所需的模量级别为千帕级，因为很多天然组织的模量就是这个级别。如人的鼻软骨（234kPa#177;27kPa）、牛的关节软骨（990kPa#177;50kPa）、猪的胸部主动脉（43.2kPa#177;15kPa）、狗的肾脏皮层和髓质（约10kPa）、胚胎的髓核和眼组织（约1kPa）等^[4]。在组织工程支架领域，聚合物基质的力学强度必须与周围组织的环境相匹配^[7]。因此，水凝胶的力学强度是其作为生物医用材料的重要性能指标之一。水凝胶力学强度的重要决定因素主要包括3个方面：水凝胶的结构、含水量、介质组成。关节软骨是20%胶原增强的多糖水凝胶，它的强度约为1.5MPa，结构为层状结构；在层状结构的内部，随着层状结构的深入以及纤维含量的增加，水凝胶的强度明显增加，最高达30MPa。与普通材料相比，水凝胶力学性能有其特性，它在压力的作用下失水，而在拉力的作用下吸水。因此，水凝胶的力学性能与其含水量有关。

三、水凝胶类型

1、纳米复合水凝胶

纳米复合水凝胶(NC)^[8-11]自2002年问世以来受到许多研究者的关注。在NC凝胶中聚合物链通过氢键、离子和配位相互作用吸附在无机粘土片层表面，这些相互作用通过外力是可以解离的，所以，从理论上讲NC凝胶是可热塑的。然而，并不是所有的NC凝胶都可以热成型，如温敏型聚异丙基丙烯酰胺-锂皂石粘土凝胶，当加热温度高于32℃时会产生体积-相转变及收缩。

水凝胶作为高吸水材料、外科软组织填充材料、软性角膜接触镜和皮肤移植材料、隔水混凝土填加剂、石油回收堵水剂等在卫生、生物医学、建筑、化工等诸多领域得到广泛的应用^[1]。通常的水凝胶由化学交联的聚电解质构成，通过调节化学交联程度虽然可以改变水凝胶的吸水特性、机械性能等，但由于化学交联的聚合物水凝胶有光学透明性差、吸水(脱水)速率低、强度低、脆性大等不足，因而在应用上受到极大限制。通过向轻微化学交联的水凝胶中加入无机物，如无机黏土等，已发现合成的有机(无机)复合凝胶在改善其力学性能方面具有显著的效果^[3～7]。