微凝膠的概述、制備及應用

溫 馨 李艷艷 張 劍

山西大學化學化工學院，山西太原，030001

1 概論

1.1 定義

微凝膠（microgel）是一種具有高分散性和大比表面積的凝膠材料，其特點是顆?；蚶w維的尺寸范圍通常在納米到微米級別之間；通常由聚合物或膠體顆粒形成，通過調節制備條件和原料成分，可以控制微凝膠的尺寸、形狀和孔隙結構，從而調節其物理化學性質和功能。

微凝膠結合了散裝水凝膠特征，如柔軟性和生物相容性。第一個報道的微凝膠是由聚苯乙烯與二乙烯基苯交聯并被苯膨脹而成的，是Staudinger在1935年制備的[1-2]。1986年由Pelton和Chibante首次報道了水溶脹微凝膠[3]，近20年來得到了迅速地發展。微凝膠的典型尺寸范圍在幾十納米到幾百微米之間；因此，它們表現出布朗運動和對外界刺激的快速刺激反應，正如Tanaka Fillmore方程所描述的那樣[4]。與傳統的固體膠體粒子如聚苯乙烯、二氧化硅（SiO2）等相比，微凝膠由于水化高分子鏈段的空間排斥力而具有較高的膠體穩定性，因此它們可以在高離子強度和密集堆積的條件下使用，在這些條件下，可變形的微凝膠相互壓縮[5]。由于這些優良的特性，微凝膠有望在許多應用中發揮作用，例如藥物輸送系統的載體、細胞支架[6]、傳感器[7]、分子分離[8-10]、催化劑[11]、乳化劑[12-13]、能量轉換材料[14-15]、玻璃[16-19]、晶體[20-21]和血細胞模型系統[22-25]。

1.2 結構特征

微凝膠的結構組成通常由連續的凝膠相和孔隙相組成。

凝膠相是微凝膠的連續相，通常由聚合物網絡或膠體顆粒形成。凝膠相可以是天然或合成的聚合物，如聚丙烯酸、聚乙烯醇、明膠等；或者是膠體顆粒，如二氧化硅、氧化鐵等。凝膠相的選擇取決于所需的性質和應用。

孔隙相是微凝膠中的空隙區域，通常由液體或氣體填充?？紫断嗫梢允撬?、有機溶劑或氣體等，具體選擇取決于制備和使用微凝膠的條件?？紫断嗟拇嬖跒槲镔|的擴散和交換提供了通道，為微凝膠的吸附、儲存和釋放等性能提供條件。

微凝膠的尺寸范圍通常在納米到微米級別之間，具體取決于制備方法和條件。微凝膠可以具有球形、纖維狀、片狀等形態，形態的選擇也會對其性質和應用產生影響。

微凝膠的表面通常具有一定的特性和功能。表面特性可以通過表面修飾和功能化來實現，如引入化學基團、添加生物活性分子或控制表面電荷等。表面特性的調控可以影響微凝膠的相互作用、穩定性和應用性能。

1.3 分類

根據微凝膠分子內部交聯密度的不同，微凝膠可以分為剛性微凝膠和柔性微凝膠兩類：交聯密度越高，微凝膠硬度越高；反之，微凝膠越柔軟，越趨向于線型聚合物。根據分子內部及表面有無反應性基團，微凝膠又可以分為反應性微凝膠和非反應性微凝膠兩類，其中以反應性微凝膠的研究最為活躍，應用最為廣泛。反應性微凝膠常見活性基團有雙鍵、羥基、羧基、氨基和環氧基等。

根據材料類型，由聚合物形成的微凝膠，如聚丙烯酸酯、聚乙烯醇等，被稱為聚合物微凝膠；由納米顆粒組成的微凝膠被稱為納米顆粒微凝膠，如二氧化硅、氧化鐵等；天然材料形成的微凝膠為天然物質微凝膠，如明膠、藻酸鹽等。

根據形態特征可將微凝膠分為球形微凝膠、纖維狀微凝膠、片狀微凝膠。

另外，還可以根據應用領域將其分類，如吸附分離微凝膠、藥物傳遞微凝膠、組織工程微凝膠。

2 制備方法

微凝膠的制備方法較多，常見的有溶液聚合、乳液聚合、懸浮聚合和沉淀聚合等，聚合反應大多為自由基聚合，也有通過陰離子聚合制備微凝膠的方法。

2.1 溶液聚合

溶液聚合是將單體和自由基引發劑溶于適當溶劑中在溶液狀態下進行的聚合反應?？刹捎眠B續法和間歇法生產。聚合產生成的聚合物溶于溶劑的叫“均相溶液聚合”；聚合物不溶于溶劑的稱為“非均相溶液聚合”或“沉淀聚合”。溶液聚合在高分子材料工業同樣占有重要地位，化學纖維產品中，聚丙烯腈、聚乙酸乙烯酯是采用溶液聚合生產的，也用該法生產涂料和黏合劑。

2.2 乳液聚合

乳液聚合法是一種常用的聚合方法，它的主要特征是在水相中形成一個含有多個單體的連續有機相。在乳液聚合工藝中，單體經自由基聚合法或其他聚合機制發生化學反應而生成高分子聚合物。表面活性劑在乳液聚合中起到關鍵的作用，是使它們能夠使單體在水相中形成穩定的分散體系，并且能夠調控乳液的粒徑和穩定性。

2.2.1 微乳液聚合

微乳液是由油、水、乳化劑和助乳化劑組成的各向同性、熱力學穩定的透明或半透明膠體分散體系，其分散相尺寸為納米級，比可見光的波長短。根據體系中油水比例及其微觀結構，可將微乳液分為3種，即正相（O/W）微乳液、反相（W/O）微乳液和中間態的雙連續相微乳液。1980年Stoffer等[26]首先以微乳液為介質進行了微乳液聚合研究，從而開辟了一個嶄新的領域。

法國Candau等[27-28]主要從事水溶性單體的微乳液聚合研究。他們最初使用雙（2-乙基己酯）琥珀磺酸鈉（AOT）作乳化劑[29-30]，對丙烯酰胺微乳液聚合的機制進行了研究。首先揭示了微乳液聚合的許多重要特征，如連續成核，每個粒子內只有幾個聚合物鏈等。借助于內聚能比（CER）概念[31-32]，研究者成功地對聚合體系進行了優化，使得體系內的單體含量大幅度提高到20%左右，并在此體系中研究了多種水溶性單體的均聚和共聚行為[33-34]。

2.2.2 無皂乳液聚合

無皂乳液聚合法在制備單分散性良好的聚合物微球方面具有獨特的優勢[35-36]。無皂乳液聚合是指在聚合反應過程中不加入乳化劑，或加入濃度低于臨界膠束濃度的微量乳化劑的乳液聚合過程，該工藝生產成本低、合成過程簡單、后處理簡潔，所制備的微球表面潔凈、粒徑均勻[37-38]。

洪秀秀[39]利用無皂乳液聚合法，通過水浴加熱的方法，制備出具有良好分散性的聚苯乙烯（PS）微球，發現微球粒徑會隨著單體用量和反應體系離子強度的增大而增大，隨著引發劑濃度的增加而降低，并且會隨聚合溫度的上升而先增大后降低。李玉等[40]通過加入微量乳化劑或β-環糊精對無皂乳液聚合法進行了改進，制備出粒徑在300 nm左右的單分散聚苯乙烯（PS）微球，指出β-環糊精的加入可大幅縮短反應時間。

2.3 懸浮聚合

懸浮聚合是一種聚合反應的類型，單體以固體顆粒的形式懸浮在連續的液體介質中，而不是形成液滴或液滴顆粒。懸浮聚合可以用于制備具有特定形狀和粒徑的聚合物微球或顆粒。

懸浮聚合體系一般有單體、引發劑、水、分散劑四個基本組分。懸浮聚合體系是熱力學不穩定體系，需通過攪拌，并借助分散劑維持穩定。在攪拌剪切作用下，溶有引發劑的單體分散成小液滴，懸浮于水中引發聚合。不溶于水的單體在強力攪拌作用下，被粉碎成不穩定的小液滴，隨著反應的進行，分散的液滴又可能凝結成塊，因此體系中須加入分散劑來防止粘結。懸浮聚合產物的顆粒尺寸一般在0.05～0.20 mm。其形狀、大小隨攪拌強度和分散劑的性質而定。

2.4 沉淀聚合

沉淀聚合是一種常用的制備單分散納米凝膠的合成方法[41-42]，它是將單體和引發劑混合，在均相溶液中引發聚合。由于選擇性反應介質溶解度低，將生成的聚合鏈從連續相中沉淀出來，然后形成均勻顆粒。與乳液聚合[43]等方法不同，沉淀聚合[44]可以制備不含任何表面活性劑或穩定劑的聚合物納米凝膠。

沉淀聚合方法是由Stover等在1993年提出[45]，用乙腈作為溶劑，合成二乙烯基苯（DVB）、DVB-苯乙烯（St）兩種單分散高分子微球，還合成了DVB與其他單體（如丙烯酸類單體、氯甲基苯乙烯等）的共聚物微球，在此基礎上他們提出了一種不需要穩定劑和表面活性劑就能制備出單分散性微球的新方法。

2.4.1 蒸餾沉淀聚合

然而，傳統的沉淀聚合很難制備出球形明確、粒徑分布窄的親水性聚合物顆粒。因此，蒸餾沉淀聚合（DPP）被開發，從而實現有效制備親水性聚合物顆粒；DPP與常規沉淀聚合的區別在于聚合過程中溶劑的蒸餾。DPP的典型裝置是一個帶有分餾柱、李比希冷凝器和用于收集蒸餾溶劑的接收器的雙頸燒瓶。

蒸餾沉淀聚合法的基本原理是將單體加入反應器中，加入適量的溶劑和催化劑，進行加熱蒸餾，使單體蒸發到頂部，然后在頂部冷凝成為液體，最后沉淀到反應器底部形成高分子。這種方法的反應條件相對溫和，不需要高溫高壓，從而可以有效避免高溫高壓帶來的安全隱患。

2.4.2 回流沉淀聚合

蒸餾沉淀聚合（DPP）作為改性沉淀聚合的一種，在蒸餾狀態下經歷反應條件，形成聚合物顆粒[46-48]。為解決蒸餾過程中偶有導致分散體系不穩定的問題，有課題組以回流反應裝置代替蒸餾反應裝置，實現了回流沉淀聚合（RPP）[45-50]。在聚合過程中，具有臨界鏈長的聚合物能夠形成定義良好的聚合物納米凝膠，并從劣質溶劑中析出而不黏附在反應瓶內壁上。在這種情況下，RPP方法可能是制備納米凝膠的一種優越的合成方法，因為它具有高的膠體穩定性和理想的反應效率[50]。此外，由于反應裝置和聚合過程簡單，RPP易于擴大規模。作為一種無需任何表面活性劑即可制備具有均勻結構和尺寸的納米凝膠的有效方法，近年來人們對使用RPP制備功能納米或微凝膠的興趣越來越大（圖1）。

圖1 制備氧化還原/pH雙刺激響應的可生物降解聚乙二醇化聚甲基丙烯酸（PMAA）納米凝膠用于雙重藥物負載[51]

3 應用

微凝膠是具有凝膠性質的微小顆?；蛭⑶?，其尺寸通常在納米到微米級別。由于其特殊的結構和性質，微凝膠在各個領域都有廣泛的應用。

3.1 化妝品和洗滌護理產品

微凝膠被廣泛應用于化妝品和洗滌護理產品中。它們可以用作穩定劑、控釋劑等，提供更好的質地和效果。微凝膠還可以用于調整顏色、提供光學效果和改善皮膚感受。

香精香料行業是一個日益成熟的全球性化工行業部門。香料被添加到各類消費品中，如個人護理產品、香水、織物柔軟劑、肥皂、洗滌劑等，散發氣味，從而提高芳香化學品的作用效率。例如把一種含有不同分子的香味混合物，包封在二氧化硅粒子中，就會使香味的輪廓發生明顯的變化。除此之外，在液體洗滌劑中，通過制備性能優良的高分子聚合物微膠囊來包裹酶，制備出高效的洗滌劑微球，能夠提高其穩定性，從而釋放并發揮作用。

包裹洗衣凝珠的水溶膜主要成分是聚乙烯醇（PVA），聚乙烯醇膜是綠色環保材料，由于韌性大、透明度高、阻隔性強及保香性強、水溶性好等優良性能，被廣泛應用于洗滌行業。

3.2 醫藥領域

3.2.1 藥物傳遞

微凝膠可以作為藥物傳遞系統的載體。藥物被包裹在微凝膠內部，通過控制微凝膠的釋放速率和靶向性，實現藥物的緩釋和靶向輸送，提高治療效果和減少副作用。

Jiang等[52]以N,N'-二甲基丙烯酰胱氨酸（NDMCC）為交聯單體，在乙醇中采用蒸餾-沉淀聚合法設計并制備了新型交聯水凝膠。該凝膠不僅交聯密度高，而且在水溶液中具有良好的穩定性。凝膠可負載多柔比星等陽離子藥物，載藥量高（48.3%），載藥效率高（93.4%）。此外，多柔比星的釋放結果表明，在DTT/GSH的存在下，多柔比星的釋放速度可以顯著加快，揭示了凝膠作為還原觸發藥物釋放系統的巨大潛力。

3.2.2 組織工程

微凝膠在組織工程和再生醫學中具有重要應用。微凝膠可以提供支架結構和生物相容性，用于細胞培養、組織工程和人工器官的構建。它們可以提供細胞定植的環境，促進細胞增殖和分化。

模擬生物細胞外基質（ECM）的水凝膠可以為細胞提供機械支持和信號線索，從而調節其行為。然而，盡管水凝膠具有產生可調節細胞行為的人工ECM的能力，但它們通常缺乏許多組織構建體所需的機械強度。Shin等[53]提出了增強碳納米管明膠甲基丙烯酸酯（GelMA）雜合物作為生物相容性、細胞響應性水凝膠平臺，用于創建細胞負載的三維（3D）構建體（圖2）。添加碳納米管（CNT）成功地增強了GelMA水凝膠，而不會降低其孔隙率或抑制細胞生長，NIH-3T3細胞和人間充質干細胞（hMSCs）在CNT中封裝后易于鋪展和增殖GelMA混合微凝膠。

圖2 GelMA涂層碳納米管的示意圖(a)，以及裸碳納米管(b)和GelMA涂層碳納米管(c)的HRTEM圖像[53]

3.3 食品工業中微凝膠技術的應用

微凝膠在食品工業中具有多種應用。它們可以用于改善食品的質地和穩定性，增加口感和延長保鮮期。除此之外，微凝膠還可以用于食品添加劑、調味品、乳化劑和穩定劑等。

微凝膠不僅適合于水溶性功能因子的固定，還可用于脂溶性物質的包埋，并且在包埋率和載量方面表現良好，顯著提高了生物活性物質在各種環境中的穩定性。海藻酸鈉、幾丁質等聚合物具有良好的生物相容性，但無法為人體內消化酶所降解，適合用于益生菌、花青素等功能因子的定向（結腸）釋放。以蛋白質為原料的填充微凝膠，脂溶性功能物質在胃消化過程中具有較高的抗性，但能夠在小腸中實現完全的釋放[54]。

以微凝膠為功能物質的載體，顯著改善了脂溶性生物活性物質和水溶性生物活性物質在水中的分散性和化學穩定性，拓寬了功能因子在食品中的應用。

3.4 傳感器

由于微凝膠具有可調控的物理、化學性質和大比表面積，它們可以用作傳感器的傳感元件。微凝膠可以用于檢測溫度、pH值、離子濃度和分子生物學標記物等，廣泛應用于生物傳感器、環境監測和醫學診斷等領域。

吳佳敏等[55]以CMC-PAA微凝膠為增強劑，AM為單體，N,N′-亞甲基雙丙烯酰胺（MBA）為交聯劑，通過兩步法紫外引發聚合制備了一種雙網絡交聯聚丙烯酰胺水凝膠（DN-CMC-PAA/PAAm）?；趶秃纤z的透明可穿戴應變傳感器具有良好的應變靈敏度（GF＝9.01），較寬的應變傳感范圍（0～800%）及優異的耐久性和重現性（1000次循環），可以用來實時監測和記錄大型和細微的人體運動，如手指、手腕，肘關節彎曲，吞咽和發音等。

3.5 化學分離和催化

微凝膠的高比表面積和多孔結構使其在化學分離和催化過程中具有很大的優勢。微凝膠可以用作吸附劑、催化劑載體和分離介質，用于分離和純化化學物質、催化反應和催化劑回收等。

桑吉龍[56]以水凝膠為模板，原位合成Fe3O4納米酶復合水凝膠，在催化氧化TMB，苯酚和H2O2的檢測以及苯酚的羥基化反應中，表現出了較好的催化活性。通過改變水凝膠上的功能基團（－COOH，HSO3—等）以及引入溫敏性單體（NIPAM），一定程度上提高了Fe3O4納米酶復合水凝膠對底物的親和力、催化活性和對產物的選擇性。

4 結論

微凝膠是一種具有高分散性和高比表面積的凝膠材料，其顆?；蚶w維的尺寸范圍通常在納米到微米級別之間。常見的制備方法有溶液聚合、乳液聚合、懸浮聚合和沉淀聚合等，因其獨特的結構特性，已成為近年來研究的熱點問題之一。目前已有從聚合物科學、物理化學、膠體化學等有關角度探索而建立了相應的基礎理論，并且被廣泛應用于日化、材料、醫藥等行業。

盡管微凝膠在多個領域具有很大的開發潛力，但也存在一定劣勢，例如，高質量微凝膠的制備方法較為復雜多變，這可能會提高行業生產的成本，也需要很高的技術門檻；某些微凝膠會響應某些特定的條件（pH值、溫度、離子濃度等），響應型微凝膠的設計和應用可以提高材料的智能性和可控性，但對其應用范圍有諸多限制；盡管有些微凝膠可用于生物醫學領域，但并非都具備良好的生物相容性，某些材料可能引發免疫反應或其他不良反應；諸多微凝膠的制備、生產、應用及處理等環節可能會產生有害物質，使得微凝膠在環境方面可能存在潛在的問題，需要通過合適的監督和管理，以及技術創新，降低對環境的不利影響，最大限度地實現其應用潛力。

相信在未來的研究中，隨著學者對溶液反應機制、凝膠微結構等基礎研究工作的不斷深入與探索，其研究進展將邁向更高的臺階。