#水凝膠的種類

水凝膠可根據不同的方式進行分類，其分類取決於材料備製方法、聚合物的離子電荷、來源、交聯方法、對刺激的響應以及它們的物理特性。

1⃣備製方法
根據製備方法，可分為單(均)聚合、共聚合、半相互滲透網路(semi-IPN)和全相互滲透網路(full-IPN)，還有自組裝肽系統。單(均)聚合水凝膠的結構中僅包含一種類型的單體的交聯結構。共聚合水凝膠由兩種類型的單體組成，其中至少一種具有親水性。當聚合物滲透到另一個聚合物交聯網絡中，且之間沒有任何化學鍵僅物理相連時，形成半相互滲透網路。當聚合物滲透到另一個聚合物交聯網路並與其交聯時的，稱為全相互滲透網路。不用交聯劑的自組裝肽水凝膠是基於氨基酸的分子作用，當達到中性 pH 值和離子濃度時會經歷溶膠-凝膠轉變。

2⃣離子電荷
含有酸性基團如羧酸和磺酸的聚合物被稱為陰離子聚合物，而由鹼性基團如胺組成的聚合物被稱為陽離子聚合物。非離子單體主要由PAAM及其衍生物和PHEMA組成。

3⃣材料來源
依聚合物來源可分為天然水凝膠、合成水凝膠或兩者的混合。天然水凝膠的聚合物包括多醣、多核苷酸和多肽。合成水凝膠的聚合物有PVA、PEG、PEO、PHEMA、PAA和PAAM等，具有高度可控的物理和化學性質。合成水凝膠的生物活性低於天然水凝膠，但天然水凝膠很脆弱。天然聚合物可被交聯、接枝單體或與合成聚合物共混形成混合水凝膠來增加機械強度。

4⃣交聯方法
根據聚合物鏈的的交聯力，可分為化學交聯、物理交聯以及兩者的混合。物理交聯藉由氫鍵、靜電作用、離子交互作用、鏈的纏繞、凝膠化不需要任何有毒的共價交聯分子。化學交聯則是在聚合物水溶液中添加交聯劑。化學共價交聯可改變水凝膠的物理性質。例如膨潤行為、生物降解性和機械強度。也可用一種或多種單體經由電漿輻射、紫外光照射引發聚合並交聯。

5⃣刺激響應
按照對環境變化做出的反應，可分為pH值、離子強度、生物分子、溫度、電場、磁場和光等敏感水凝膠。(詳述於水凝膠的藥物卸載)

6⃣物理特性
刺激響應水凝膠被稱為智慧型水凝膠，物理性質會因微小的外部觸發而發生變化。獨特性在於非線性反饋。通過可逆、強度可擴展、可重複和可預測的相體積轉變來響應觸發，並且能夠在觸發被移除後恢復到原始形狀。

參考文獻1
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參考網頁

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水凝膠的藥物卸載
水凝膠的自組裝
水凝膠的自修復
水凝膠的毒性
水凝膠複合奈米顆粒


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#水凝膠的藥物卸載

智慧型水凝膠(Smart Hydrogels)可因以下不同外界的刺激，改變其親水性、膨潤(swelling)度、物理性質和分子滲透性，控制藥物的釋放。

1⃣酸鹼值
pH敏感水凝膠結構上都含有酸性或鹼性基團，以質子的獲得或損失來響應環境pH值變化。陰離子水凝膠在鹼性環境下膨潤，在酸性環境中收縮。陽離子水凝膠在酸性環境下膨潤。兩親性水凝膠同時有酸性和鹼性基團，會在酸性和鹼性環境中相變。

2⃣溫度
熱敏水凝膠在結構上除了含親水基外，還會帶有疏水基，親疏水基之間會相互競爭。可分為下臨界溶解溫度（LCST）水凝膠和上臨界溶解溫度（UCST）水凝膠，它們對溫度非線性響應，並且在加熱時，LCST和UCST水凝膠的溶解度分別降低和增加。

3⃣電場
電敏水凝膠在施加電場的情況下會收縮或膨潤。與pH敏感水凝膠一樣，通常由電解質聚合物組成。

4⃣磁場
磁敏水凝膠是通過將熱敏水凝膠與超順磁性氧化鐵納米粒子組成的 。在磁場作用下，粒子發生振動導致磁熱效應，改變其膨潤度。

5⃣光
光敏水凝膠體積變化的機制是基於通過將光響應基團納入聚合物網路。在特定波長光的照射下，產生的溫度變化來改變熱敏水凝膠的膨潤度。

6⃣酶
酶敏感水凝膠結構中的連接體易於被酶識別。連接子和酶之間的反應引起物理和化學變化，然後引起水凝膠的降解或形態轉變。

7⃣葡萄糖
葡萄糖敏感水凝膠的主要釋放機制涉及葡萄糖擴散到膜中，葡萄糖在膜中轉化為葡萄糖酸，從而降低 pH 值並導致水凝膠膨潤，然後擠出藥物。

8⃣超音波
機械和熱效應是釋放藥物的主要機制。超音波熱效應導致聚合物膠束或微泡和熱敏脂質體的靶向觸發釋放。超音波觸發氣泡破裂產生的剪應力和衝擊波的機械效應可促進載藥釋放。

9⃣離子強度
水凝膠的彈性模量可以通過離子強度用高度可預測的方式調節。水凝膠內部小分子的自擴散係數隨離子強度線性下降。

🔟分子印跡
分子印跡水凝膠可以製成對某種藥物具有高親和力，可以負載藥物，並由pH變化或水合過程引起的膨潤來釋放藥物，具有可重複使用性。

⏸剪應力
固體預成型水凝膠透過注射器注射而剪切稀化。在去除注射剪切力後，凝膠剛度立即恢復，使得封裝的藥物能夠抵抗體內的生物力而保持局部化。

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#水凝膠的自組裝

自組裝肽水凝膠(SAPH)是一種多功能水凝膠，結合了天然水凝膠和合成水凝膠的優點。通過分子自組裝機制在親水環境中經歷溶膠-凝膠轉變，不需要任何天然或合成水凝膠所需要的有毒交聯劑。

在肽合成過程中，氨基酸在線性鏈中一個接一個地連接在一起，氨基酸的位置在肽自組裝以及肽與周圍環境的相互作用中起著關鍵作用。氨基酸(或肽)的線性鏈代表氨基酸的一級結構，肽在溶液中獲得氨基酸的二級結構，如 β-折疊、β-髮夾、α-螺旋和無規捲曲，這些結構可以進一步自組裝成超分子結構。SAPH是二級結構在「臨界凝膠濃度」下組裝/纏結成為3D水凝膠。SAPH根據獲得的二級結構，可分為模擬自然結構(例如α-螺旋和β-折疊)和新設計的衍生物(例如兩親物和短芳香肽)。

自組裝肽水凝膠應用在 3D 細胞培養、組織工程和藥物輸送等生物醫學方面。

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#水凝膠的自修復

自修復水凝膠涉及所謂流動相的共同原理，該原理通過結合在水凝膠基質內的質量轉移和斷裂鍵結的重新連接來閉合裂紋。該基質內的重新連接通常由非共價鍵或共價鍵介導。非共價相互作用基於弱犧牲鍵，例如離子鍵、氫鍵、或疏水鍵，而化學鍵則是動態共價鍵和金屬配位鍵。上述共價鍵和非共價鍵的組合最近也被用來生成具有快速自修復性能的機械堅韌和彈性雙網絡水凝膠。

自修復水凝膠是由天然或合成聚合物製成的。天然聚合物大部分是基於多醣的聚合物，例如海藻酸鹽(Alginate)、殼聚醣(Chitosan)和玻尿酸(HA)。另一方面，合成聚合物體系基於聚乙二醇(PEG)、聚丙烯酸(PAA)、聚乙烯醇(PVA)和聚丙烯酰胺(PAAM)等聚合物。這些聚合物具有某些優點和缺點，放棄一種聚合物而選擇另一種聚合物通常需要進行一些權衡。例如，天然聚合物通常更俱生物相容性，因為明膠和殼聚醣等聚合物以其細胞附著特性而聞名;   而聚乙烯醇(PVA)和聚丙烯酰胺(PAAM)通常會產生更強、更有彈性的水凝膠，但代價是生物友好性降低。

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#水凝膠的毒性

無毒
天然水凝膠為無毒性，包含殼聚醣、纖維素、果膠、明膠、硫酸軟骨素或膠原蛋白等。尤其多醣類(殼聚醣、纖維素、果膠)具有很好的生物相容性，可以用作生物材料。合成水凝膠的聚合物在一定程度上也是無毒的，但與天然多醣相比，其生物相容性較差。聚乙二醇(PEG)、聚丙烯酸(PAA)、聚乙烯醇(PVA)和聚丙烯酰胺(PAAM)等聚合物合成水凝膠的體外毒性測試的細胞活性皆有90%以上。一般而言物理交聯或使用輻射交聯而不採用有毒交聯劑的水凝膠都不具毒性。

毒性判定
在細胞毒性測試時，細胞活力百分比高於 80% 被視為無細胞毒性；80%–60% 為弱毒性;  60%–40% 中等毒性和低於 40% 的強毒性。根據 ISO 10993-5 規範，醫療器械的細胞毒性測試結果，細胞活力70%以上的就屬於不具有毒性。

降解
水凝膠可以降解並通過生物吸收和生物侵蝕從體內消除。許多親水性天然和合成聚合物歸類為可生物降解聚合物，可透過水解而降解。然而，這類聚合物種類非常有限。一些聚合物不能通過簡單水解降解，但可透過化學水解降解。這些聚合物不形成水凝膠，而是與水凝膠結合，形成親水單體或聚合物，成為可生物降解的水凝膠，通常透過酯鍵的化學水解而發生降解。此外，水凝膠還可以透過酶水解來降解，此類水凝膠包括多醣、蛋白質和合成多肽。這些聚合物多用於藥物輸送系統。降解蛋白質和多肽水凝膠的水解酶分別是蛋白酶和肽酶，而多醣水凝膠的生物降解僅透過糖苷酶。一些合成聚合物也可生物降解，但與天然聚合物相比，降解率非常低。

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#水凝膠複合奈米顆粒

水凝膠-奈米顆粒複合材料研究的主要焦點在於創新組合兩種完全不同類型的材料產生結構多樣性與多種性能增強。

超分子水凝膠奈米粒子的設計有3種：
a) 單個/多個奈米顆粒的微米或奈米凝膠
b) 非共價固定在水凝膠基質中的奈米顆粒
c) 共價固定在水凝膠基質中的奈米顆粒

不同類型的奈米顆粒嵌入塊狀水凝膠框架中，有5種主要方法：
1⃣在奈米顆粒懸浮液中形成水凝膠
2⃣凝膠化後將奈米顆粒物理嵌入水凝膠
3⃣在預製凝膠內形成反應性奈米顆粒
4⃣使用奈米顆粒交聯形成水凝膠
5⃣使用奈米顆粒、聚合物和不同的膠凝劑分子形成凝膠

水凝膠奈米顆粒複合材料的性能取決於所摻入的奈米顆粒的類型，而奈米顆粒的類型又取決於所設計複合材料的應用。依照奈米顆粒(NP)材質可以分為以下4種：
1⃣金屬NP-水凝膠複合物
Au、Ag、Pd、Co、Ni、Cu、Pt 和 Ru
2⃣金屬氧化物NP-水凝膠複合物
Fe3O4、ZnO 和 TiO2
3⃣非金屬NP-水凝膠複合物
碳基材料(#氧化石墨烯、納米點、納米管)、#半導體量子點、和矽
4⃣聚合物NP-水凝膠複合物
膠束、奈米凝膠、核殼顆粒、樹枝狀聚合物、超支化聚合物和 #脂質體

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#水凝膠跳舞小人偶

2018年，羅格斯大學與高麗大學的團隊，利用電敏感水凝膠製作了一個小人偶，通過在電解質溶液中改變電場，讓水凝膠小人偶像彎腰跳舞般擺動。

#這個影片是最好理解刺激響應水凝膠的作動方式。

原Youtube影片
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鄉村科學家：卷雲形成美麗的圖案
作者：福雷斯特·米姆斯(Forrest Mims)
快報新聞
更新 2013 年 3 月 20 日下午 3:48

積雲是德克薩斯州天空中最常見的雲。這些蓬鬆的雲朵就像漂浮在天空中的巨大爆米花，由大量的水滴形成。它們全年都可能出現，但在夏季最常見。它們通常出現在距地表不到一英里的地方。

卷雲的形成比積雲高得多。它們發生在海拔 20,000 英尺以上、空氣溫度低於冰點的地方。水滴在這個高度凍結並形成捲雲。

近幾個月來，天空中卷雲的數量超過了平常。有些日子，它們覆蓋了整個天空。在其他日子裡，它們會形成多種形狀的斑點。

在特殊的日子裡，卷雲變成了藝術品，它們以漩渦和波浪的形式在天空中旋轉和旋轉。其中最美麗的是馬尾卷雲，這是一種纖細的結構，其中精緻的條紋像天空中巨大的逗號一樣垂落。

甚至還有“看不見的”卷雲，它們太微弱，人眼和衛星儀器無法識別。我對這種幾乎看不見的捲云非常熟悉，因為我的一些測量天空清晰度的儀器可以檢測到它們的存在。它們不會影響頭頂臭氧和水蒸氣層的測量，但會導致霧霾讀數錯誤增加。

幾年前，我在夏威夷莫納羅亞天文台上空的藍天上拍攝到了罕見的可見卷雲特徵。卷雲中的冰晶一定大小相同，因為它們形成了環繞太陽的明亮彩虹。這些奇觀被稱為日冕，它們可能是由各種雲甚至花粉引起的。這是我所見過的唯一一個顯然是由看不見的捲雲引起的。

有些卷雲是人造的。這些是高空飛行的飛機發動機產生的凝結尾跡。飛機發動機排出的廢氣中的水蒸氣迅速凍結成冰晶，在天空中形成白線。有些凝結尾跡只持續幾分鐘。其他的則散佈在天空中並停留數小時。

幾週前(2013年2~3月間)，德克薩斯州中部的天空中出現了一個特別美麗的捲雲。強勁的西風將纖細的捲雲晶體吹成長長的條紋，劃過大部分天空。與此同時，第二個卷雲層出現在天空更高的地方，強勁的南風將其撕碎並推成平行的細絲，覆蓋在下面的條紋上。其結果是在頭頂 5 英里處呈現出壯觀的縱橫交錯的白色冰絲。

#罕見的上下雙層垂直交錯的卷雲


福雷斯特·米姆斯 (Forrest Mims) 是一位業餘科學家，他的研究成果發表在領先的科學期刊上，被《發現》雜誌評為“科學領域 50 名最佳大腦”之一。他的科學成果發表在 www.forrestmims.org 上。
電子郵件：forrest.mims@ieee.org。


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