高强度双网络高分子水凝胶 性能 进展及展望

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1、中国科学:技术科学2012年第42卷第8期:859~873《中国科学》杂志社www.scichina.comtech.scichina.comSCIENCECHINAPRESS论文高强度双网络高分子水凝胶:性能、进展及展望①*①①②*陈咏梅,董坤,刘振齐,徐峰①西安交通大学理学院,非平衡物质结构及量子调控教育部重点实验室,西安710049;②陕西师范大学化学与材料科学学院,西安710062*E-mail:chenym@mail.xjtu.edu.cn;fengxu@snnu.edu.cn收稿日期:2011-10-31;接受日期:2012-02-15国家自然科学基金(批准号:5107312

2、7,51173144)、高等学校博士学科点专项科研基金(批准号:20100201110040)、“中央高校基本科研业务费专项资金”(批准号:109-08140018)和西安交通大学“新教师科研支持计划”(批准号:08141001)资助项目摘要作为一种虽然含有90wt%的水,但力学强度高达数十兆帕的高分子水凝胶材料,双关键词网络(doublenetwork,DN)设计思路对大幅度提高水凝胶力学性能以及推动其在生物材料中应高分子水凝胶双网络用研究意义重大.近年来高强度DN凝胶研究不断取得令人注目的进展,在DN凝胶概念的基细胞亲和性础上,设计合成了天然和仿生DN凝胶、低摩擦和低磨损DN凝胶以及

3、细胞亲和性高强度水凝摩擦磨损胶,并研究了DN凝胶的生物相容性和诱导关节软骨再生等生物材料性能.高强度、多功能DN生物相容性凝胶在生物材料中的研究极大地扩展了高分子水凝胶材料的应用范围.本文综述了DN凝胶的设计思路,分析了影响其性能的因素,并对其未来发展进行了展望.1引言高分子水凝胶(hydrogels)是一类具有化学或物理交联结构、可吸收大量水分但不溶于水的高分子或人类治疗疾病、进一步提高生活质量的美好愿望大分子聚集体,它们在水中可保持一定形状和三维对生物材料的研究提出了更高的要求.随着生物材空间网络结构并迅速溶胀[9],因此也被称为“水材料研究的深入,已经开发出了多种多样的人工组织料”

4、(图1).高分子水凝胶同时兼具固体和液体双重性或器官,部分产品已上市并用于常规的临床治疗,但质:从宏观尺寸的角度来看,高分子水凝胶具有并保是这些产品大都由硬度高、不含水的无机或有机材料持一定的形状,施加一定的压力后会变形,当去除压组成,例如金属、塑料以及橡胶等.虽然这些材料的力后它会恢复原来的形状,所以它具有固体的粘弹力学性能具有优势,但它们的含水率、柔软性、硬度性;从微观尺寸角度来看,高分子水凝胶具有三维网和摩擦系数等参数与人体软组织,例如血管、关节软络结构,水溶性小分子可以在三维网络中自由扩骨和肌腱之间存在显著差距.值得提出的是人体除散,且扩散系数与在水溶液中接近,所以它具有液体了牙

5、齿和骨头以外,都是由生物软组织构成的.严格性质.此外,由于水合作用,高分子链中的亲水性基地讲上述材料并不具有替代生物软组织的优势(表团将水分子束缚在三维网络结构中,从而赋予了高[1~8]1),因此,研究与生物软组织的结构和性能类似分子水凝胶良好的保水性能,与海绵不同,即使其的“软、湿”高分子水凝胶材料具有重要的科学意义遭受外力而被破坏,水也难以从水凝胶网络中挤压和应用价值.出来.英文版发表信息:ChenYM,DongK,LiuZQ,etal.Doublenetworkhydrogelwithhighmechanicalstrength:Performance,progressandfut

6、ureperspective.SciChinaTechSci,2012,55:22412254,doi:10.1007/s11431-012-4857-y陈咏梅等:高强度双网络高分子水凝胶:性能、进展及展望表1人体软组织与不同人工材料性能比较Softtissue/ArtificialmaterialsElasticmodulesWatercontent(wt%)FrictionalcoefficientTensilestrength(MPa)Ref.Cartilage0.45–0.80MPa70–850.00135.7[1,2]Humanforearmtendon90.12–414.

7、99MPa23.65–78.52[3]Hydrogel<1MPa>700.01–0.001<1[4]Siliconerubber25(shoreharness)0.504.0[5]Ultra-highmolecularweightpolyethylene29MPa<0.2050[6,7]Stainlesssteel200GPa0.10[1,8][19]生的生物材料而引起了人们更多的关注,所以缩小高分子水凝胶与生物