真空冷凍干燥技術在水凝膠制備中的應用

水凝膠（Hydrogel）是一類極為親水的三維網絡結構凝膠，它在水中迅速溶脹并在此溶脹狀態可以保持大量體積的水而不溶解。

水凝膠分類

由于存在交聯網絡，水凝膠可以溶脹和保有大量的水，水的吸收量與交聯度密切相關。交聯度越高，吸水量越低。這一特性很像一種軟組織。水凝膠中的水含量可以低到百分之幾，也可以高達99%。凝膠的聚集態既非固體也非液體。固體的行為是一定條件下可維持一定的形狀與體積，液體行為是溶質可以從水凝膠中擴散或滲透。

凡是水溶性或親水性的高分子，通過一定的化學交聯或物理交聯，都可以形成水凝膠。這些高分子按其來源可分為天然和合成兩大類。天然的親水性高分子包括多糖類（淀粉、纖維素、海藻酸、透明質酸，殼聚糖等）和多肽類（膠原、聚L-賴氨酸、聚L-谷胺酸等）。合成的親水高分子包括醇、 丙烯酸及其衍生物類（聚丙烯酸，聚甲基丙烯酸，聚丙烯酰胺，聚N-聚代丙烯酰胺等）。

01物理凝膠和化學凝膠

水凝膠有各種分類方法，根據水凝膠網絡鍵合的不同，可分為物理凝膠和化學凝膠。物理凝膠是通過物理作用力如靜電作用、氫鍵、鏈的纏繞等形成的，這種凝膠是非永1久性的，通過加熱凝膠可轉變為溶液，所以也被稱為假凝膠或熱可逆凝膠。許多天然高分子在常溫下呈穩定的凝膠態，如k2型角叉菜膠、瓊脂等；在合成聚合物中，聚乙烯醇（PVA）是一典型的例子，經過冰凍融化處理，可得到在60℃以下穩定的水凝膠。化學凝膠是由化學鍵交聯形成的三維網絡聚合物，是永1久性的，又稱為真凝膠。

02宏觀凝膠與微觀凝膠

根據水凝膠大小形狀的不同，有宏觀凝膠與微觀凝膠（微球）之分，根據形狀的不同宏觀凝膠又可分為柱狀、多孔海綿狀、纖維狀、膜狀、球狀等，制備的微球有微米級及納米級之分。

03傳統和環境敏感的水凝膠

根據水凝膠對外界刺激的響應情況可分為傳統的水凝膠和環境敏感的水凝膠兩大類。傳統的水凝膠對環境的變化如溫度或pH等的變化不敏感，而環境敏感的水凝膠是指自身能感知外界環境（如溫度、pH、光、電、壓力等）微小的變化或刺激，并能產生相應的物理結構和化學性質變化甚至突變的一類高分子凝膠。此類凝膠的突出特點是在對環境的響應過程中其溶脹行為有顯著的變化，利用這種刺激響應特性可將其用做傳感器、控釋開關等，這是1985年以來研究者最感興趣的課題之一。

04合成高分子和天然高分子水凝膠

根據合成材料的不同，水凝膠又分為合成高分子水凝膠和天然高分子水凝膠。天然高分子由于具有更好的生物相容性、對環境的敏感性以及豐富的來源、低廉的價格，因而正在引起越來越多學者的重視。但是天然高分子材料穩定性較差，易降解。

水凝膠的應用

作為一種高吸水高保水材料，水凝膠被廣泛用于多種領域，如：干旱地區的抗旱，在化妝品中的面膜、退熱貼、鎮痛貼、 農用薄膜、建筑中的結露防止劑、調濕劑、石油化工中的堵水調劑，原油或成品油的脫水，在礦業中的抑塵劑，食品中的保鮮劑、增稠劑，醫療中的藥物載體等等。值得注意的是，不同的應用領域應該選用不同的高分子原料，以滿足不同的需求。

水凝膠生物相容性、生物可降解性、高吸水、保水的特性使其廣泛適用于環境工程、柔性傳感、電化學等許多領域，尤其是生物醫學領域，包括組織工程、藥物輸送系統、傷口敷料、生物傳感器、隱形眼鏡、人工細胞等，有著廣泛的應用。

例如，水凝膠的三維結構與許多組織的細胞外基質類似，而在組織工程中，特定的細胞需要在合適的支架上培養為相應的器官，此時的水凝膠就是一種理想的支架材料。

而在給藥體系中，可用于藥物緩釋和定點釋放，水凝膠可控的多孔結構使其能夠輕松搭載多種藥物，遷移運動至特定部位。同時，智能水凝膠受到pH、酶等環境刺激后產生不同的溶脹響應，從而以不同的速率釋放藥物。

水凝膠作為新型功能材料，具有高吸水保水性、生物相容性好、柔韌等特點，通過不同材料的選擇以及改性、復合等手段賦予其特定性能如自愈合性、環境響應特性等。因此，關于水凝膠的研究數不勝數。同時水凝膠及其衍生物在各個領域應用越來越廣泛，其研究價值絕不僅限于此，這也是其大火的原因。

富睿捷凍干實驗室

實驗樣本：水凝膠

實驗目的：凍干所有水分，呈海綿狀

實驗設備：Mercury系列

實驗過程：

1.水凝膠-80℃預凍4h或液氮速凍。

2.打開凍干機預冷，將預凍好的水凝膠放置與隔板上，打開真空。

3.凍干程序為：升華程序-40℃~25℃，真空度2Pa，時間30h。

4.程序結束后，釋壓取出凍干好的樣品，儲存或者進行后續實驗。

預凍前：

凍干中：

凍干后：

水凝膠SEM

凍干后呈海綿狀，達到理想效果。