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聚天冬氨酸交联温敏性水凝胶：制备工艺、性能表征与应用前景探究

一、引言

1.1研究背景

水凝胶作为一种极具特色的功能材料，近年来在多个领域得到了广泛关注。它是由聚合物高分子材料在水溶液中通过物理化学键合形成的，具有三维网络结构，且含有大量亲水基团，能够在水中或体液中膨胀却不溶解。根据对外界刺激的响应类型，水凝胶可分为pH敏感型、温度敏感型（温敏）、光敏感型、电敏感型和压力敏感型水凝胶等。

温敏性水凝胶作为其中重要的一类，具有独特的温度响应特性，能够在不同温度下发生可逆性的溶胶-凝胶转化。在较低温度下，它呈液态，便于操作，如轻松添加培养基或进行细胞离心收集；而在较高温度下，会转变为固态的水凝胶，为细胞增殖、细胞信号传导、气体交换以及抵御剪切力提供理想环境。这种独特性质使其在医药生命科学等领域展现出巨大的应用潜力，如干细胞和多能干细胞的培养、增殖和分化，3D细胞培养，细胞移植，器官和组织再生以及药物传递等方面。

聚天冬氨酸（PAsp）是一种天然高分子，常用于制备水凝胶。它具有优异的可生物降解性和生物相容性，主链是一种氨基酸聚合物，与蛋白质结构相类似，易被微生物、酶等降解，其降解产物无毒无害，是一种对环境友好的新型聚合物。聚天冬氨酸还含有羧基和氨基等活性基团，使其具有极强的分散、螯合和吸附作用。这些特性使得聚天冬氨酸水凝胶在生物医学、农林保水、工业污水处理、日用化学品等领域具有广阔的应用前景。

将聚天冬氨酸与温敏性水凝胶相结合，制备聚天冬氨酸交联温敏性水凝胶，有望综合两者的优势，开发出性能更为优异的功能材料。一方面，利用聚天冬氨酸的生物降解性和生物相容性，提升水凝胶在生物医学等领域应用的安全性和可靠性；另一方面，借助温敏性水凝胶的温度响应特性，实现对水凝胶性能的精准调控，以满足不同应用场景的需求。因此，对聚天冬氨酸交联温敏性水凝胶的制备与性能研究具有重要的理论意义和实际应用价值。

1.2研究目的和意义

本研究旨在通过一系列实验，探索聚天冬氨酸交联温敏性水凝胶的制备方法，优化制备工艺参数，获得具有良好性能的水凝胶材料。在此基础上，深入研究该水凝胶的性能，包括其温度响应特性、溶胀性能、力学性能、生物相容性以及药物缓释性能等，全面了解材料的性能特点和变化规律。

从材料科学的角度来看，聚天冬氨酸交联温敏性水凝胶的研究有助于拓展新型功能材料的种类和应用范围。通过对其制备方法和性能的深入研究，可以揭示材料结构与性能之间的内在联系，为材料的分子设计和性能优化提供理论依据，推动材料科学的发展。在医药领域，该水凝胶良好的生物相容性和温度响应性使其有望成为一种理想的药物载体。可以根据人体不同部位的温度差异，实现药物的精准释放，提高药物的疗效，减少药物的副作用。在组织工程中，作为细胞培养和组织修复的支架材料，其温度响应特性可以模拟人体生理环境的变化，促进细胞的生长和分化，为组织修复和再生提供新的解决方案。在农业领域，聚天冬氨酸交联温敏性水凝胶可以作为保水剂和肥料缓释剂，利用其吸水保水和对养分的缓释性能，提高水分和肥料的利用效率，促进农作物的生长，减少资源浪费和环境污染。

1.3国内外研究现状

在聚天冬氨酸交联温敏性水凝胶的制备方面，国内外学者进行了大量的探索。一些研究采用化学交联的方法，通过选择合适的交联剂，如戊二醛、N,N-亚甲基双丙烯酰胺等，使聚天冬氨酸分子之间形成交联网络，从而获得温敏性水凝胶。研究发现，交联剂的种类和用量对水凝胶的交联程度和性能有显著影响。也有研究尝试采用物理交联的方法，如利用氢键、静电作用等使聚天冬氨酸形成网络结构，但物理交联水凝胶的稳定性相对较差。还有学者通过引入其他功能性单体或聚合物，与聚天冬氨酸进行共聚或共混，以改善水凝胶的性能，如提高其力学强度、温度响应灵敏度等。

在性能研究方面，国内外学者对聚天冬氨酸交联温敏性水凝胶的温度响应特性、溶胀性能、力学性能等进行了深入研究。研究表明，该水凝胶的温度响应特性与聚天冬氨酸的结构、交联程度以及引入的温敏性基团等因素密切相关。在一定温度范围内，水凝胶会发生体积相变，表现出明显的溶胀或收缩行为。其溶胀性能不仅受温度影响，还与溶液的pH值、离子强度等因素有关。在力学性能方面，通过优化制备工艺和添加增强材料，可以提高水凝胶的强度和韧性，使其能够满足更多实际应用的需求。

在应用研究方面，聚天冬氨酸交联温敏性水凝胶在医药、农业、环境保护等领域展现出潜在的应用价值。在医药领域，被用于药物缓释、组织工程支架等方面；在农业领域，作为保水剂和肥料增效剂，有助于提高农作物的产量和品质；在环境保护领域，可用于吸附重金属离子、处理污水等。

然而，当前的研究仍存在一些不足之处。部分制备方法存在工艺复杂、成本较高、对环境有一定污染等问题，限制了水凝胶的大规模生产和应用。在性能方面