磁性水凝胶的制备及其应用研究进展.docx

背景介绍

磁性水凝胶是指对磁场具有响应特性的一类环境敏感性水凝胶，此类凝胶可以利用外部磁场来快速实现运动方式和运动方向的有效控制而备受关注。通过将磁性颗粒以不同的方法结合到不同水凝胶基质材料中，可以获得各种不同性质、不同功能的水凝胶产品。例如，可以有效去除水体中有害物质的吸附类磁性水凝胶；可以靶向释放药物取得高效的治疗效果药物的运载释放类磁性水凝胶。另外，一些具有良好生物相容性的磁性水凝胶材料，可广泛应用于组织工程等领域。

文章亮点

01.详细综述了磁性水凝胶材料的制备，包括共混法、接枝法、原位沉淀法和溶胀法；

02.重点介绍了其在重金属离子吸附、药物运输、癌症治疗等领域的应用；

03.考虑到对未来发展的贡献，对磁性水凝胶在智能多功能材料方面的应用进行了展望。

内容介绍

1磁性水凝胶的制备

关于制备磁性水凝胶以获得所需的性能，主要包括共混法、接枝法、原位沉淀法和溶胀法等策略，如图1所示。

共混法是最为简单的制备方法，首先合成磁性纳米粒子，然后与水凝胶前体混合，最后聚合成水凝胶。通过混合方法开发了聚（丙烯酰胺）铁磁水凝胶。在磁性镍纳米粒子的存在下，N,N-亚甲基-双（丙烯酰胺）作为交联剂丙烯酰胺单体发生自由基聚合。尽管简单，但纳米粒子团聚可能会干扰凝胶网络形成，此外纳米粒子的均匀分散也具有挑战性。磁性纳米粒子与凝胶的结合力较弱，在溶胀时可能会从凝胶中扩散出来。因此，可能需要适当手段来稳定纳米颗粒。接枝法包括长出支链、嫁接支链和长出主链3种形式。与混合方法相比磁性纳米粒子与凝胶形成共价偶联结构，从而抑制了纳米粒子从凝胶中扩散。通过接枝共聚开发了聚（丙烯酰胺）磁性水凝胶，其中嵌入了甲基丙烯酸酯表面功能化的赤铁矿纳米颗粒作为水凝胶基质的交联剂。接枝方法虽然优点显著，但是其较长制备时间、复杂和高成本的制造过程限制了其在生物医学应用中的使用。原位沉淀法是先制备出水凝胶网络，然后在凝胶网络内合成磁性纳米颗粒。一般先将制备好的水凝胶放入磁性纳米粒子所需离子的浓缩水溶液中，直至达到溶胀平衡，然后将其浸入碱溶液中以产生磁性纳米粒子。通过将水凝胶浸入铁离子和亚铁离子的浓缩水溶液中，开发了基于聚（2-丙烯酰胺基-2-甲基-1-丙磺酸）(PAMPS)和氧化铁纳米颗粒的磁性凝胶，随后用氨水溶液沉淀。然而，这种方法仅限于具有稳定网络结构的水凝胶，尤其不适用于碱性条件易于分解的水凝胶。溶胀法是水凝胶与铁磁同时一起孵育的方法，这也是一种制备微凝胶的有效方法。通过溶胀法制备了聚（N-异丙基丙烯酰胺-烯丙基胺）(P(NIPAM-co-AA))微凝胶，包含柠檬酸盐包覆的铁酸钴纳米颗粒。实验中分批进料使得磁性纳米颗粒多积累在外壳，加载过程受网络结构相互作用影响，因此纳米粒子不仅限于水凝胶网格尺寸，而且还需要适当稳定。

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磁性水凝胶在水处理中的应用

2.1??以高分子为基质的磁性水凝胶吸附材料

高分子材料通常处于固体或凝胶状态，具有一定的粘度、耐腐蚀性等，性能稳定。其中壳聚糖(CS)、羧甲基纤维素(CMC)、聚乙烯醇(PVA)等常用于制备水凝胶材料。制备了一种磷酸化壳聚糖包覆的磁性Fe3O4@SiO2纳米颗粒的水凝胶珠(Fe3O4@SiO2@CS-P)(见图3)。

2.2??碳基复合磁性水凝胶吸附材料

碳基材料包括石墨、活性炭、碳纳米管、石墨烯等，而对于传统吸附用碳材料来说，其吸附性能易受吸附物量的影响，且选择吸附性相对较差；将碳基材料与凝胶材料复合，可以在一定程度上提高材料的特定性能。其中，石墨烯在磁性水凝胶的制备中极具研究特色。

2.3??其他类复合磁性水凝胶吸附材料

除常用的基质材料外，还有一些基质材料，可以获得性能稳定、高效的磁性水凝胶材料。例如，采用磁性阳离子水凝胶MCH吸附NO3-，其吸附量与pH值有较大关系，在pH值为5.2～8.8时达到最佳吸附，最大吸附量达95.9mg/g。

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磁性水凝胶做生物医学中的应用

3.1??用于药物释放的磁性水凝胶材料

研究了近铁磁共振频率的电磁辐射的潜在用途，发现粒子内的能量耗散导致凝胶加热，从而导致热响应凝胶中的体积变化。响应取决于粒子浓度及其化学性质，并可通过改变电磁信号的频率、暴露时间或外部磁场来调节。除此之外，也可以调控直流/交流磁场来实现药物释放。在聚乙烯醇磁性凝胶中，当施加直流磁场时，产生纳米颗粒以端到端的结构组装，从而减小了凝胶网络中的孔径并限制了药物的释放（图4a、4b）。

3.2??用于磁热疗的磁性水凝胶材料

用聚乙二醇和α-环糊精配位制备了一种磁性纳米酶水凝胶(MHZ)，将这种纳米酶用于肿瘤磁热疗的催化反应生成活性氧簇，从而增强肿瘤氧化应激水平。由于剪切稀化以及磁热相变特性，MHZ可以注入并扩散到肿瘤组织中，Fe3O4产生的磁热首先为肿瘤提供42?℃的热疗。Fe3O4纳米酶在肿瘤的酸性环境中发挥类