CN1264321A

CN1264321A - 具有快速溶胀、高机械强度和超吸收特性的水凝胶复合物和超多孔水凝胶复合物

Info

Publication number: CN1264321A
Application number: CN98806514A
Authority: CN
Inventors: 基纳姆·帕克; 陈军; 黑森·帕克
Original assignee: Purdue Research Foundation
Current assignee: Purdue Research Foundation
Priority date: 1997-05-13
Filing date: 1998-05-08
Publication date: 2000-08-23
Also published as: EP0988108B1; AU736940B2; CA2289756C; EP0988108A1; CA2289756A1; ATE300999T1; DE69831074T2; US20010038831A1; JP2002501563A; DE69831074D1; BR9809815A; AU6932698A; US6271278B1; WO1998051408A1

Abstract

在一种崩散剂和一种起泡剂的存在下,通过把一种或多种不饱和烯单体和一种多烯交联剂聚合,形成超多孔水凝胶复合物。崩散剂,能迅速吸收水分,起到大大增强超多孔水凝胶机械强度和显著缩短需要吸收水分并溶胀的时间的作用。通过这种方法制备的超多孔水凝胶复合物的平均孔径在10μm到3,000μm的范围内。优选的崩散剂微粒包括天然和合成的带电聚合物,例如交联的羧甲基纤维素钠、交联的淀粉甘醇酸酯钠和交联的聚乙烯吡咯烷酮。起泡剂优选是酸化释放气泡的化合物,例如NaHCO₃。也提供了不需起泡剂形成的改进的水凝胶复合物。

Description

具有快速溶胀、高机械强度和超吸收特性的水凝胶复合物和超多孔水凝胶复合物

本发明涉及可溶胀的水凝胶复合物，特别更涉及多孔复合物。

“水凝胶”是一种在水中不溶的交联聚合物网络，但在过量水存在的情况下能溶胀到平衡大小。对水凝胶的研究开始于二十世纪六十年代，一篇关于聚甲基丙烯酸羟乙基酯的论文[Wichterle，O.，等，1960]成为水凝胶研究的里程碑。由于水凝胶在如药物控制传递领域的独特性质，已经合成并鉴定了多种水凝胶。这项工作大多集中在交联较轻、均相的均聚物和共聚物方面。

本体聚合，即在不加入溶剂的情况下聚合，能将要生产一种均相水凝胶的单体生成一种非常硬的玻璃质的、透明聚合物基质。当浸入水中，玻璃质基质就溶胀变软和柔韧。尽管它允许水和一些低分子量溶质的传递，但这种溶胀聚合物基质(水凝胶)还是被认为是非多孔性的。实际上在聚合物链之间的孔径是物质传递的唯一空间，孔径大小在分子大小(几纳米或更低)的范围[Chirila，T.等，1993]。在这种情况下，水或其它溶质的传递是通过纯粹的扩散机制实现的，这限制了吸收的速率和一定程度上限制了吸收种类的大小[Skelly，P.J.，1979]。均相水凝胶已经被广泛用于多种应用，尤其是在需要限制扩散特性的药物控制传递领域[Oxley，H.R.，1993]。

通常通过一种溶液聚合技术制备多孔水凝胶，这就要求聚合单体在一种合适的溶液中。不管是紧密的凝胶还是松散的聚合物网络，合成的水溶胶的性质取决于单体的类型、在单体混合物中得到稀释剂的量和交联剂的量[Barvic，M.等，1967]。当在单体混合物中的稀释剂(通常是水)的量增加，孔径也增加到微米范围[Chirila，T.等，1993]。有效孔径在10nm-100nm范围和100nm-10μm范围的水凝胶分别被称作“微孔”和“大孔”水凝胶。实际上，术语“微孔”和“大孔”可交替使用，仅仅是因为在水凝胶中微孔和大孔没有统一的定义。因此，孔径达到约10μm既可以称作微孔，也可以称作大孔。

多孔水凝胶的制造可以通过在分散的水溶性多孔生成物(porosigens)存在的情况下制备水凝胶(通常从聚合单体制得)，随后用水去除这种水溶性多孔生成物而留下互相贯通的网络(即，多孔水凝胶)[Oxley，H.R.等，1993；Krauch，C.H.等，1968]。有效的多孔生成物例如微粉化的蔗糖、乳糖和糊精[Oxley，H.R.等，1993]、氯化钠[Kon，M.等，1981]、和聚(环氧乙烷)(PEGs)[Badiger，M.等，1993]。

如果在冷冻状态下形成聚合物网络水自身可以用作一种多孔生成物。在冷冻状态下单体可以围绕水的晶体聚合，然后通过融化去除水以形成大孔水凝胶[Oxley，H.R.等，1993；Haldon，R.A.等，1972]。在这一被合适地称作“冻融”技术的方法中，冰晶起到多孔生成物的作用。当在水溶液中形成聚合物网络时，整个系统可以冷冻干燥以升华冰晶和留下一个多孔基质[Loree，H.M.等，1989]。这一“冻融”技术在从水溶性聚合物例如多糖(例如海藻酸钠)制备多孔水凝胶中是很有用的[Cole，S.M.等，1992]。为了更有效地使用冷冻干燥技术制备多孔水凝胶，也可以加入盐作另一种多孔生成物，这会增加制备多孔材料的重复性[de Groot，J.H.等，1990]。

在水包油乳化液系统也可以使用非水溶液作为聚合的多孔生成物[Gross，J.R.等，1995]，在这种情况下，水相含水溶性单体和交联剂，油相是挥发性的有机溶液。将连续的水相聚合后，接着蒸发去除油相就产生多孔结构。

通过多孔生成物技术制备的孔径大小取决于多孔生成物的大小。多孔生成物的导入能显著降低机械强度，尽管把多孔生成物的大小保持在约40μm以下可以把对机械强度造成的负面影响将至最低。在必需大孔的情况下，可以使用在100-300μm范围的大粒微粒[de Groot，J.H.等，1990]。

在溶液聚合作用中，单体通常混合在对单体和聚合物都适用的稀释剂中。然而，如果稀释剂不是形成的聚合物的溶剂(例如，在水中的PHEMA)，在聚合进行时聚合物的溶解性显著降低。这就导致富含的单体相分相成微滴，然后，在聚合过程结束时微滴互相连接形成充满较大空间的网络。这一工艺被称作非均相溶液聚合[Chirila，T.等，1993；Barvic，M.等，1967；Dusek，K.等，1969]。

通过改变溶剂的性质也可以诱发最初的均相聚合物溶液分相。通过去除适合的溶剂，或向聚合物溶液中加入非溶剂，或通过改变温度可以降低溶剂的性质。许多聚合物溶液随温度的改变形成可逆凝胶。例如，当冷却到临界混溶温度，在水中的明胶就变成凝胶[Young，A.T.，1985]。一般地，可以迅速冷冻聚合物水溶液以产生亚稳分解，随后通过冷冻干燥升华去除水份产生多孔水凝胶。

对于有较低的临界溶解温度(LCST)的聚合物，水就成为聚合物的非溶剂，在温度增加到LCST之上时就产生了相分离。这一技术已经被用来制备由聚(N-异丙基聚丙烯酰胺)[Kabra，B.G.等，1991；Yah，Q.等，1995；Wu，X.S.等，1995]和交联羟丙基纤维素[Kabra，B.G.等，1994]制成的多孔水凝胶。通过分相制备的大孔水凝胶的孔径大小通常仅仅是几微米。另外，总孔隙率非常低，这就表明孔之间没有很好地相互贯通。分相法的主要限制是只能制备种类非常有限的多孔水凝胶。另外，当用分相制备时凝胶的孔隙率不太好控制。

另外，各个水凝胶微粒可以表面交联形成微粒的交联聚集体，从而在水凝胶之间形成孔。这种聚集体的大结构是通过起初把水凝胶微粒和交联剂溶液、水、和亲水有机溶剂例如异丙醇混合而制得的[Rezai，E.等，1994]。这一结构中的孔存在于水凝胶微粒之间，孔的大小比微粒的大小小的多。这一方法就使得吸附在表面上有化学活性官能团的微粒受到限制。

把水凝胶的微孔和多孔结构与非水凝胶例如多孔聚氨酯泡沫的区分开来很重要。在塑料泡沫领域，微孔和大孔各表示孔径小于50μm和在100-300μm的范围[de Groot，J.H.等，1990]。这一差异的原因之一是孔径大于10μm的水凝胶很少制得，而孔径在100-300μm的范围的多孔塑料却非常普遍。只是在近期才制成孔径大于10μm的多孔水凝胶[Park，H.等，1994A；Park，H.等，1994B]，这可能就是对多孔水凝胶的定义不同于多孔塑料的原因。

微孔和大孔水凝胶有时也称作聚合体“海绵”[Chirila，T.等，1993]。当一种单体，例如甲基丙烯酸2-羟基乙酯(HEMA)，在水中的初始单体浓度为45(W/W)％或更高的情况下聚合，就产生了孔隙率高于均相水凝胶的水凝胶。有时这些非均相水凝胶在生物医学文献中称作“海绵”[Chirila，T.等，1993；Kon，M.等，1981]。然而，术语“海绵”并不可取，因为在各种意义上往往被认为是“橡胶海绵”，而不是水凝胶。而且，橡胶海绵的性质与多孔水凝胶的完全不同。例如，橡胶海绵在挤压时释放吸收的水，但多孔水凝胶是不能挤压的—它们可能成为碎片，同时因为它们的亲水性水被截留在聚合物网络中。

美国专利5,451,613(授予给Smith等)和相关专利建议在一种碳酸盐起泡剂存在下通过聚合一种含羧酸单体的单体溶液和一种有效数量的交联剂，从而形成微蜂窝状的水凝胶来制造超吸收聚合体。然后将微蜂窝状的水凝胶破碎或碾碎，用碎片形成中心聚合物。在把中心聚合物表面交联以提供超吸收微粒。

美国专利5,338,766(授予给Phan等)建议从一种有中性羧基的不饱和单体与一种内部交联剂反应制成超吸收聚合物。单体和交联剂在起泡剂和溶剂存在下膨胀以形成膨胀结构。控制膨胀和反应以形成超吸收聚合物材料。

美国专利5,154,713(授予给Lind)建议在一种碳酸盐起泡剂存在下通过形成微蜂窝状水凝胶从一种(甲基)丙烯酸生成超吸收水凝胶。然后把这一材料破碎和干燥以产生超吸收微粒聚合物。

美国专利4,525,527(授予给Takeda等)建议制造一种有改进的吸水特性的交联丙烯酸树脂。这种丙烯酸树脂通过丙烯酸、丙烯酰胺和水溶性聚乙烯单体水成聚合而制得。

水凝胶的限制因素之一是干水凝胶的溶胀特性非常慢。对于要溶胀的干水凝胶，水能被吸收到干水凝胶玻璃质基质中。因此干水凝胶的溶胀动力学取决于通过扩散过程和在橡胶区的聚合物链的松弛发生的水的吸收。普通药片大小(例如直径1厘米，厚0.5厘米)的干水凝胶的溶胀平衡通常要用至少几小时，着可能对许多必需快速溶胀的应用来说太慢了。例如，水凝胶已经成功地用作胃滞留物，能在狗胃中停留达60小时[Shalaby，W.S.W.等，1992A；Shalaby，W.S.W.等，1992B]。然而，在这些研究中，在对狗施用时必须把水凝胶预先溶胀几小时以避免过早排空到肠中。

在致力于克服干水凝胶溶胀特性慢的过程中，本发明人合成了一种超多孔水凝胶，能在数分钟内溶胀而与基质的大小无关[Chen，J.，1997]。这些超多孔水凝胶提供了非常快的溶胀动力学和高溶胀度，然而充分溶胀的超多孔水凝胶的机械强度非常差以致不能使用。在某些情况下，由于充分溶胀的水凝胶非常差的机械特性它们不能被拾起并很容易破碎。通常，可以通过增加交联密度的方法制出机械强度高的超多孔水凝胶，但这会溶胀度很小和超吸收特性的丧失。因此，需要制出一种具有快速溶胀和高吸收特性并且有高机械强度的超吸收水凝胶。

本发明涉及一种超多孔水凝胶(SPH)复合物，以及相关的水凝胶复合物，由相互贯通的聚合物网络和快速吸水材料微粒(作为崩散剂)形成，这些将在下文阐明。该聚合物由至少一种不饱和烯单体和多烯交联剂聚合形成，并且该聚合物还与崩散剂微粒交联。本发明的超多孔复合物的特征在于具有高吸收特性和机械强度，各通过其溶胀率和抗压模量来举例说明。SPH复合物也具有非常短的溶胀时间。

本发明的超多孔水凝胶复合物平均孔径在10μm到3,000μm的范围内，更优选是在50μm到1,000μm的范围内，最优选在100μm到600μm的范围内。

本发明的超多孔水凝胶复合物，部分由至少一种不饱和烯单体形成。单体优选选自：(甲基)丙烯酸、(甲基)丙烯酸的盐类、(甲基)丙烯酸的酯类、(甲基)丙烯酸的酯类的盐类和酸类、(甲基)丙烯酸的酰胺类、(甲基)丙烯酸N-烷基酰胺类、(甲基)丙烯酸N-烷基酰胺类的盐类和酸类、N-乙烯基吡咯烷酮、丙烯酰胺、丙烯酰胺衍生物(例如，N-正-丙基丙烯酰胺，N-异丙基丙烯酰胺)、甲基丙烯酰胺、甲基丙烯酰胺衍生物(例如N-环丙基甲基丙烯酰胺)等和它们的混合物。

超多孔水凝胶复合物也可从一种交联剂形成，优选选自：双(N，N’-亚甲基-双丙烯酰胺)、二(甲基)丙烯酸乙二醇酯、哌嗪二丙烯酰胺、戊二醛、表氯醇和含1，2二醇结构(例如，N，N’-己二醇酒石酸二酰胺)、官能肽和蛋白质(例如用乙烯基修饰的白蛋白)交联剂的可降解交联剂。

本发明的超多孔水凝胶复合物还由如下所述的崩散剂微粒形成。优选的崩散剂是交联的天然和合成的正电和负电聚合物(聚电解质)。崩散剂的例子包括交联的羧甲基纤维素钠、交联的淀粉甘醇酯钠、交联的聚乙烯吡咯烷酮。

本发明的一种超多孔水凝胶复合物通过把至少一种不饱和烯单体、一种多烯交联剂、一种崩散剂微粒和起泡剂合并适当形成，所述混合物经受聚合和起泡条件聚合并交联单体、交联剂和崩散剂，生成超多孔结构的水凝胶复合物。

附图简述

图1说明的是通过交联聚合(实线)和泡沫形成(虚线)凝胶形成的相对动力学。

图2描述的是Ac-Di-Sol^对超多孔水凝胶复合物机械特性的影响，由极限压缩压力(UCP)表示。

图3是含Ac-Di-Sol^纤维的水凝胶复合物的冷冻干燥扫描电镜照片，其中，通过一个局部相互贯通的网络(IPNs)把Ac-Di-Sol^纤维结合到聚合物基质上。促进毛细管作用的超多孔水凝胶复合物的空腔结构清楚地显现出来。

图4描述的是Ac-Di-Sol^对聚丙烯酰胺水凝胶复合物抗压模量(A)和溶胀比(B)的影响，Ac-Di-Sol^的量表示为干水凝胶总重的百分率。

图5图解了一种超多孔水凝胶或复合物随时间推移在胃中滞留的情况。体积较小的干超多孔水凝胶(A)在中迅速溶胀(B)。通过机械或酶降解或两者种降解都有，它在胃中慢慢降解(C)，并最终从胃中排空(D)。由于其较大的体积在胃中的溶胀的超多孔水凝胶或超多孔复合物保留在胃中。胃收缩(B-1→B-3)不能排空凝胶，而是凝胶弹回胃体中(B-4和B-5)，这一步骤被不断重复。

图6A和6B表明的是在向狗施用后27小时(A)和32小时(B)所摄的超多孔水凝胶X-线照片。在起初6小时使狗处于饱食状态，此后使它禁食。通过在图中所示的三个水凝胶丸状标记(#1-3)超多孔水凝胶至少在27小时在胃中保持完整。32小时后，一个标记(#1)排空到肠中，而其它两个标记(2#-3)始终在胃中。

一种形成一种速溶水凝胶复合物的方法，包括：把至少一种不饱和烯单体、一种多烯交联剂、和一种快速溶于水的材料(崩散剂)微粒合并形成其混合物。然后把混合物经受聚合条件生成水凝胶复合物。

一种形成一种速溶水凝胶(SPH)复合物的方法，包括：把前述水凝胶成分和一种起泡剂一起合并在混合物中。当需要SPH复合物时，混合物的聚合和起泡优选同时进行。

优选地，在把该混合物与起泡剂合并之前，首先把至少一种不饱和烯单体、一种多烯交联剂、和一种崩散剂微粒合并形成混合物。

在本发明使用的不饱和烯单体优选选自：(甲基)丙烯酸、(甲基)丙烯酸的盐类、(甲基)丙烯酸的酯类、(甲基)丙烯酸的酯类的盐类和酸类、(甲基)丙烯酸的酰胺类、(甲基)丙烯酸N-烷基酰胺类、(甲基)丙烯酸N-烷基酰胺类的盐类和酸类、N-乙烯基吡咯烷酮、丙烯酰胺、丙烯酰胺衍生物(例如，N-正-丙基丙烯酰胺，N-异丙基丙烯酰胺)、甲基丙烯酰胺、甲基丙烯酰胺衍生物(例如N-环丙基甲基丙烯酰胺)等和它们的混合物。

尤其优选的单体包括：丙烯酰胺(AM)、N-异丙基丙烯酰胺(NIPAM)、甲基丙烯酸2-羟基乙酯(HEMA)、甲基丙烯酸2-羟基丙酯(HPMA)、N-乙烯基吡咯烷酮(VP)、丙烯酸(AA)、2-丙烯酰胺-2-甲基-1-丙磺酸(AMPS)、丙烯酸3-磺丙酯、钾盐(SPAK)、2-(烯丙酰氧)乙基三甲基铵甲基硫酸盐(ATMS)，其无机盐，以及其混合物。

在本发明应用的多烯交联剂是一种单体或含至少两个乙烯基的聚合物，优选交联剂包括：双(N，N’-亚甲基-双丙烯酰胺)、二(甲基)丙烯酸乙二醇酯、哌嗪二丙烯酰胺、戊二醛、表氯醇和含1，2二醇结构(例如，N，N’-己二醇酒石酸二酰胺)、官能肽和蛋白质(例如用乙烯基修饰的白蛋白)交联剂的可降解交联剂。

本发明使用的崩散剂微粒选自：交联的天然和合成聚电解质，例如交联的羧甲基纤维素钠、交联的淀粉甘醇酯钠、交联的羧甲基淀粉钠、交联的硫酸葡聚糖酯、交联的脱乙酰壳多糖、交联的透明质酸、交联的海藻酸钠、交联的果胶酯酸、交联的脱氧核糖核酸、交联的核糖核酸、交联的明胶、交联的白蛋白、聚丙烯醛钾、甘氨酸碳酸钠、交联的聚(丙烯酸)、交联的聚(苯乙烯磺酸盐)、交联的聚(天冬氨酸)、交联的聚赖氨酸，也可以是使用交联的中性亲水聚合物，例如交联的聚乙烯吡咯烷酮、交联的超支链淀粉、交联的聚乙二醇、交联的中性纤维素衍生物、微晶纤维素、粉末纤维素、纤维素纤维和交联的淀粉。也可以使用具有颗粒形状的所述聚合物的非交联形式，和通过毛细管力提供灯芯作用的多孔无机材料。

交联剂与单体的比率优选在0.01∶100到10∶100的范围内。崩散剂与聚合物的比率优选在1∶100到100∶100的范围内。

可以通过光化学，例如用紫外灯引发聚合，或通过在经受聚合和起泡条件之前将一种聚合引发剂与混合物合并在一起化学引发聚合。

在经受同样的聚合作用和起泡条件之前，一般优选将一种泡沫稳定剂与单体混合物、交联剂、和崩散剂合并在一起。

可以使用多种起泡技术，例如在这里讨论的通过导入从外部气源而来的气泡。然而，优选通过溶解或分散在单体、交联剂、和崩散剂混合物中的起泡剂进行起泡。尤其优选的起泡剂是碳酸钠、NaHCO₃，与一种酸混合，例如丙烯酸，以引发NaHCO₃分解产生CO₂气泡。

此处指出的合适的聚合和起泡条件包括环境压力，温度在5到90℃，更优选的是环境温度。允许适当聚合和起泡的时间以20秒钟到60分钟的范围较适宜。

超多孔水凝胶和其复合物代表一种在其中有大量大孔的新型水凝胶。超多孔水凝胶有大量的孔而普通的水凝胶即使在扫描电镜下检查贯穿整个基质也看不到孔。在超多孔水凝胶中孔径一般大于100μm，通常在几百微米的范围，可以达到毫米范围。在超多孔水凝胶中大多数孔相互贯通形成一个开放的通道系统。孔径的大小和数量可以通过调节交联聚合中的表面活性剂的起泡剂的种类和数量来控制。即使在干燥后，超多孔水凝胶的孔仍保持相互贯通形成毛细管系统。正因为此，干燥的超多孔水凝胶与水接触可以非常迅速地溶胀，并可以溶胀到很大的大小。

应当注意到与微孔和大孔水凝胶相比，超多孔水凝胶具有明显不同的特性。首先，在超多孔水凝胶中的孔的大小可以制成小至10μm大到一毫米以上，这比在微孔或大孔水凝胶中的孔大得多。第二，与传统的微孔和大孔水凝胶的空间所占的分数较低相比，超多孔凝胶可以容易地容纳大于起始单体混合物体积百分之几百的气腔。第三，在超多孔水凝胶中的孔即使在干燥后还保持贯通，这就使得干燥的水凝胶溶胀非常迅速。

可以在气泡存在下制备多孔水凝胶。例如，围绕起泡剂产生的气泡聚合单体或交联水溶性的聚合物链。在使用材料例如聚氨酯、橡胶和聚氯乙烯(PVC)制备塑料泡沫中已经广泛地使用了气泡技术。在气泡工艺中最重要的因素是“起泡剂”(或成泡剂)，这可以定义为任何可以在聚合物基质中产生蜂窝结构的物质或这些物质的混合物。起泡剂可以分为物理起泡剂，当释放压力时进行溶胀，例如氮气和二氧化碳，和化学起泡剂，其分解或反应产生气体，例如NaHCO₃、Na₂CO₃、和CaCO₃。

I.超多孔水凝胶的制备

近年来，气泡技术已经被用作制备“超多孔水凝胶”[Park，H.等，1994A；Park，H.等，1994B]。因为气泡技术用于超多孔水凝胶的制备上，它们也可以称作“水凝胶泡沫”。在通过气泡技术合成超多孔水凝胶中，必须同时聚合和起泡，这就使得控制气泡和聚合的同步很重要。在上述研究中，用无机碳酸盐例如碳酸钠和碳酸氢钠作为起泡剂。

本发明已经成功地用气泡技术制造如下物质的超多孔水凝胶：聚丙烯酰胺、聚丙烯酸钠、聚甲基丙烯酸2-羟基乙酯、聚甲基丙烯酸羟基丙酯、聚(丙烯酸3-磺丙酯，钾盐)、聚2-酰胺-2-甲基-1-丙磺酸、聚{2-(烯丙酰氧)乙基三甲基铵甲基硫酸盐}、聚(N-异丙基丙烯酰胺)、聚(N-乙烯基吡咯烷酮)(PVP)、修饰的蔗糖和明胶。当然，通过这种方法也可以制造许多超多孔水凝胶。通过这种起泡技术制备的超多孔水凝胶的孔径通常大于100μm，很容易达到毫米范围。通常，孔径如此之大以致于用肉眼可以看到。

如上所述，在气泡存在下通过交联聚合制备超多孔水凝胶。因此，除了需要制造水凝胶的通常组分例如单体、交联剂和化学引发剂外，超多孔水凝胶的合成还需要起泡剂和表面活性剂。起泡剂产生气泡，表面活性剂通过降低膜-气界面张力和增加膜粘度来稳定产生的泡沫[Hartley，F.D.等，1968]。

在超多孔水凝胶的制备中有两个步骤：聚合和起泡。为了制造均相超多孔水凝胶，这两个步骤应当同时发生。因此，控制这两个步骤同步非常重要。为了永久捕获在聚合物网络中的气泡，在气泡稳定时必须发生胶凝。因为起泡过程相对短并很难稳定气泡长于几分钟，所以在开始起泡例如向单体混合物中添加Na₂CO₃后几分钟内就必须开始胶凝。

通过仔细选择单体(种类和浓度)、引发剂(种类和浓度)、温度和溶剂可以达到快速胶凝。通常水溶性的丙烯酸盐、甲基丙烯酸盐和丙烯酰胺胶凝非常快。因此，优选超多孔水凝胶从这些单体制得。另外，高的单体浓度、合适类型的引发剂、高浓度的引发剂、高温和适当的溶剂都可以增加聚合速度。

不管化学方法还是机械方法可以通过任何气泡形成方法形成气泡。在本研究中，将Na₂CO₃选作起泡剂，因为其具有独特的优点(如下所述)，这些优点是其它的技术例如化学试剂的热分解、机械抖动、低沸点液体的挥发、化学反应、释压时溶解气体的膨胀、把微球加入聚合物中、通过加热膨胀充气的小珠不能提供的[Klempner，D.等，1992]。使用的起泡剂的量控制孔径的大小和超多孔水凝胶的孔隙率。

对于大规模生产超多孔水凝胶，通过一个或多个喷嘴进行机械喷吹与化学喷吹方法相比可能是一个较好的选择。这是因为由于在聚合时产生的热不可能迅速去除，所以希望在几分钟内完成聚合是不可能的。因此，要使用较少量的引发剂以延缓胶凝时间(例如大于10分钟)。因为机械喷吹可以在任何时刻持续任意时间，可以在所需的时间开始起泡并将泡沫控制在所需高度。在大规模生产超多孔水凝胶中通过机械喷吹达到精确的同步控制是可能的。

A.在水溶液中制备超多孔水凝胶

所有单体和化学试剂，除非特别指出，都购自Aldrich ChemicalCompany，Inc.(Milwaukee，WI)。从多种单体合成超多孔水凝胶，例如丙烯酸(AA)、丙烯酰胺(AM)、甲基丙烯酸2-羟基丙酯(HPMA)(Eastman Kodak Chemical Co.)、N-异丙基丙烯酰胺(NIPAM)、N-乙烯基吡咯烷酮(VP)、甲基丙烯酸2-羟基乙酯(HEMA)、丙烯酸3-磺丙酯(钾盐SPAK)、2-丙烯酰胺-2-甲基-1-丙磺酸(AMPS)、和2-(烯丙酰氧)乙基三甲基铵甲基硫酸盐(ATMS)。为了确保快速胶凝，在大多数情况下水溶液中的单体浓度大于10％。在本研究中使用的所选单体的分子结构如表1所示。

表1用来制造超多孔水凝胶的乙烯基单体化学名称(和缩写) 单体结构丙烯酰胺(AM) N-异丙基丙烯酰胺(NIPAM)

甲基丙烯酸2-羟基乙酯(HEMA) 甲基丙烯酸2-羟基丙酯(HPMA)

N-乙烯基吡咯烷酮(VP)

丙烯酸(AA)

丙烯酸钠 2-丙烯酰胺-2-甲基-1-丙磺酸(AMPS)

丙烯酸3-磺丙酯钾盐(SPAK)

优选使用过硫酸铵(APS)和N’，N’，N’，-四甲基乙二胺(TEMED)(Bio-Rad；Richmond，CA)氧化还原对作引发剂，同时用N’，N’-亚甲基双丙烯酰胺(BIS)作交联剂。交联剂的量等于单体的0.01％(w/w)到10％(w/w)。在大多数超多孔水凝胶的制备中，交联剂的浓度等于单体的1％(w/w)。交联剂浓度太高，引起溶胀的超多孔水凝胶变得更易碎，导致溶胀比的降低。反之，交联剂的浓度太低，造成超多孔水凝胶变得更软和易碎。引发剂的浓度可以显著影响聚合的速率。通常，APS的浓度和TEMED是约单体的2％(w/w)。通常在加入NaHCO₃后几分钟内开始交联。

在有酸(丙烯酸、盐酸、柠檬酸或乙酸)存在的情况下优选用NaHCO₃(Mallinckrodt；Paris，KY)作为起泡剂来制备超多孔水凝胶，因为NaHCO₃-酸系统表现出其它气体喷吹技术没有的优点。它安全、低廉、容易使用。更重要地，它允许人控制形成泡沫的时机和在聚合步骤中导入的气体的量。首先，混合单体、交联剂、酸、表面活性剂和引发剂。然后，加入NaHCO₃产生气泡。泡沫大小取决于释放气泡的量，而后者，又酸和NaHCO₃的量。

如图1所示，超多孔水凝胶的制备包括两个步骤。实线A-B-C表示聚合过程，虚线D-E-F表示起泡过程。当用APS/TEMED作为引发剂，聚合速度是pH依赖的。对引发剂而言最佳pH是7-8。在这一pH范围，添加引发剂后聚合迅速进行，通常在1-2分钟后开始胶凝。假如起泡太慢，溶液就变得很粘，不能很好地混合，产生非均相多孔水凝胶。

为了制出均相超多孔水凝胶，必须仔细控制添加起泡剂的时间在一个很窄的粘度范围。然而，当把酸和NaHCO₃用作起泡剂，它们提供一个特殊的触发系统使得定时控制很容易。

在聚合开始时(点A)，将除了NaHCO₃外的所有聚合组分混合。酸的存在使pH降低到酸性水平(pH 5-6)。因此，由于TENED在这一pH下被质子化，TEMED催化的自由基生成就受到抑制。这就导致一个非常慢的聚合过程(A→B)。在点D加入NaHCO₃，NaHCO₃与酸反应，开始起泡过程(D→E)。同时，由于NaHCO₃的中和作用，溶液的pH升高到中性水平之上(pH 7-8)。在这一pH，TEMED(以游离碱形式)可以催化过硫酸铵产生的产生的自由基，并开始催化聚合[Gordon，A.H.，1971]。

胶凝迅速进行(B→C)，在点C结束。这里NaHCO₃起到触发剂的作用，这样起泡和聚合同时进行。因此，不需要特别控制定时。从E到F，在泡沫稳定剂存在的情况下泡沫保持在其最大的尺寸。在点F后，泡沫平息(如果胶凝不再发生)。为了制出质量好的超多孔水凝胶，胶凝应当在泡沫保持在其最大尺寸时开始。换句话说，点C应当在点E和F之间。因此，在本方法中，胶凝通常在添加NaHCO₃后1-2分钟发生，这样到胶凝开始后泡沫就达到稳定。NaHCO₃过剩的量应确保最终的pH大于中性，通过酸的量控制泡沫的体积。

一般地，聚合过程较慢而最大起泡(E→F)持续时间较短。在超多孔水凝胶合成中优选使用的单体是丙烯酸酯及其衍生物，因为它们的聚合速度相对较快。在本研究中使用的APS/TEMED系统能在几分钟内引发这些单体的胶凝。为了延长在胶凝过程中的最大起泡，优选使用各种泡沫稳定剂。

一种好的泡沫稳定剂应当把泡沫稳定到胶凝过程开始时。已经检验了三十多中不同的表面活性剂，例如Triton^表面活性剂、吐温(Tween)和斯盘(Span)表面活性剂，Pluronic^表面活性剂(OSi SpecialtiesInc.)、十二烷基磺酸钠(Bio-Rad Laboratories)、白蛋白(SigmaChemical Company)、和明胶。在这些表面活性剂中，对超多孔水凝胶制备中大多数的亲水单体Pluronic^F127(PF127)表现出最好的稳定特性。PF127保持泡沫的时间最长。对于相对疏水的单体，例如NIPAM或HPMA，单独使用PF127就不能提供好的稳定泡沫效果。然而，把PF127、Pluronic^P105(PP105)和Pluronic^7605(SL7605)合并使用就提供满意的泡沫稳定效果。SL7605是聚亚烷氧修饰的聚二甲基硅氧烷表面活性剂。观察到太少的表面活性剂，不能提供足够的泡沫稳定效果，而超过一定量的表面活性剂也不能引起较好的泡沫稳定效果。发现整个溶液0.5％(w/v)的表面活性剂浓度就足够了。

蛋白质不含有乙烯基，因此，它们的聚合不能通过化学引发剂来催化。然而，蛋白质含有可以与戊二醛交联的胺基。因此，还是可以通过起泡方法制出超多孔蛋白质水凝胶的。超多孔明胶水凝胶可以作为一个例子(实施例14)。

B在有机溶剂中制备超多孔水凝胶

相对疏水的单体例如2-羟苯基甲基丙烯酸酯(HPMA)和一些修饰的蔗糖单体[Chen，J.，1997]不溶于水溶液中。因此，必须使用有机溶剂制出它们的超多孔水凝胶。可以使用二甲亚砜(DMSO)(FisherScientific)从修饰的蔗糖单体中制出超多孔水凝胶，可以使用异丙酮制造PHPMA超多孔水凝胶。一种合适的溶剂应当兼顾单体、交联剂、起泡剂、泡沫稳定剂和引发剂的溶解度。BIS交联剂在异丙酮和DMSO中都是可溶的。在DMSO中，当与丙烯酸、乙酸、HCl或柠檬酸混合NaHCO₃过不产生气泡。然而，当与对-甲苯磺酸这种强有机酸混合时，在DMSO或异丙醇中的NaHCO₃就成为一种好的起泡剂。

如上所述，对大多数在水溶液中的亲水单体而言，PF127是一种优良的泡沫稳定剂。相对于疏水单体或在有机溶剂中，单独使用PF127不能提供好的泡沫稳定效果。然而，把PF127、PP105和SL7605合并使用就提供满意的泡沫稳定效果。如实施例15所述，使用APS/TEMED系统作为引发剂。然而发现在有机溶剂中具有不同的分解速率和不同的溶解度的一系列偶氮引发剂(Wako Chemical Co.)比APS/TEMED更适合在有机溶剂中制备疏水超多孔水凝胶。

并非所有的疏水超多孔水凝胶能如期在水中表现出显著的溶胀。通过制成相互贯通的网络它们最适合来提高亲水超多孔水凝胶的机械强度。在合成超多孔水凝胶之前疏水单体也可以与亲水单体混合制成共聚物。下面的实施例举例说明了本发明，但本发明并不限于这些实施例中。

实施例

实施例1聚丙烯酰胺(PAM)超多孔水凝胶

向试管(外径20毫米×长150毫米)中依次加入下列成分：1000μl50％的AM；200μl 2.5％的BIS；460μl蒸馏的去离子水(DDW)；100μl 10％Pluronic^F127；25μl AA；40μl 20％的APS；和40μl 20％的TEMED。在加入每种成分之后，震荡试管混合溶液。最后加入90mgNaHCO₃粉末，使用刮勺剧烈搅拌5-10秒促进起泡和平均分布气泡。在加入NaHCO₃后1-2分钟开始胶凝。

实施例2聚(丙烯酸钠-和-丙烯酸)超多孔水凝胶

通过用NaOH溶液部分中和丙烯酸制备单体溶液，使得最终pH为6和最终的单体溶液的总丙烯酸和丙烯酸盐等于6M。

向试管(外径20毫米×长150毫米)中依次加入下列成分：1000μl单体溶液；200μl 2.5％的BIS；460μl蒸馏水；100μl 10％Pluronic^F127；25μl AA；40μl 20％的APS；和40μl 20％的TEMED。在加入每种成分之后，震荡试管混合溶液。最后加入90mg NaHCO₃粉末，使用刮勺剧烈搅拌5-10秒促进起泡和平均分布气泡。在1-2分钟内开始胶凝。

实施例3聚(2-羟乙基甲基丙烯酸酯)(PHEMA)超多孔水凝胶

因为羟乙基甲基丙烯酸酯(HEMA)的聚合速度比实施例1和2使用的丙烯酸单体慢，所以使用较高的温度(63℃)以加快聚合速率。

向试管(外径13毫米×长100毫米)中加入700μl HEMA、100μl2.5％的BIS、100μl 10％Pluronic^F127。将整个溶液温到63℃。向溶液中加入50μl20％的APS和50μl 20％的TEMED。在63℃保温80秒后，加入80mg NaHCO₃，使用刮勺剧烈搅拌5-10秒促进起泡和平均分布气泡。在加入NaHCO₃后1-2分钟开始胶凝。

在这一模式中，不加入酸。在单体混合物在63℃保温80秒后加入NaHCO₃后产生气泡。过早加入NaHCO₃并不产生气泡。其原因并不清楚。一个可能的原因是聚合热使NaHCO₃分解的气泡产生出来。加入NaHCO₃后的添加太晚，溶液的粘度太高不能很好地混合。这就导致非均一的超多孔水凝胶孔隙率很低。当在胶凝开始后加入NaHCO₃，根本不产生气泡。

实施例4聚(丙烯酸3-磺丙酯、钾盐)(SPAK)超多孔水凝胶

向试管(外径13毫米×长100毫米)中依次加入下列成分：1000μl30％SPAK；40μl 2.5％的BIS；50μl 10％Pluronic^F127；25μl AA；20μl 20％的APS；和20μl 20％的TEMED。在加入每种成分之后，震荡试管混合溶液。最后加入90mg NaHCO₃粉末，使用刮勺剧烈搅拌5-10秒促进起泡和平均分布气泡。在1-2分钟内开始胶凝。PSPAK是一种强阴离子聚合物(聚电解质)。即使在酸性pH下也带电荷。

实施例5聚{2-(烯丙酰氧)乙基}硫酸甲酯三甲基铵(PATMS)超多孔水凝胶

向试管(外径13毫米×长100毫米)中依次加入下列成分：1000μl30％SPAK；40μl 2.5％的BIS；50μl 10％Pluronic^F127；25μl AA；20μl20％的APS；和20μl20％的TEMED。在加入每种成分之后，震荡试管混合溶液。最后加入90mg NaHCO₃粉末，使用刮勺剧烈搅拌5-10秒促进起泡和平均分布气泡。

实施例6聚(2-酰胺-2-甲基-1-丙磺酸)(PAMPS)超多孔水凝胶

通过用NaOH溶液部分中和丙烯酸制备单体溶液，使得最终pH为5和最终的单体溶液为30％(w/w)。

向试管(外径13毫米×长100毫米)中依次加入下列成分：1000μl部分中和的单体溶液；40μl 2.5％的BIS；50μl 10％Pluronic^F127；25μl AA；20μl 20％的APS；和20μl 20％的TEMED。在加入每种成分之后，震荡试管混合溶液。最后加入90mg NaHCO₃粉末，使用刮勺剧烈搅拌5-10秒促进起泡和平均分布气泡。

实施例7聚N-乙烯基吡咯烷酮(PVP)超多孔水凝胶

1-乙烯-2-吡咯烷酮(VP)的聚合速率比丙烯酸酯或甲基丙烯酸酯单体的较慢。即使在60℃几小时，APS/TEMED也不能有效引发VP单体的聚合。然而，观察到V545(一种水溶性的偶氮引发剂，购自WakoPure Chemical lndustries，LTD，日本)在60℃的水溶液中一分钟内引发VP单体的聚合。由于超多孔水凝胶制备需要很快的胶凝速率，V545被用作在PVP超多孔水凝胶制备中的引发剂。

向试管(外径13毫米×长100毫米)中依次加入下列成分：500μlVP；200μl 2.5％的BIS；100μl水；50μl 10％Pluronic^ F127；20μlAA；20μl 20％的APS；和20μl 20％的TEMED。在加入每种成分之后，震荡试管混合溶液。在85℃水浴中温2分钟后，加入50μl新鲜制出的10％V545水溶液，再次混合。并马上加入20mg NaHCO₃粉末，使用刮勺剧烈搅拌5-10秒促进起泡和平均分布气泡。溶液在85℃保持5分钟。

在85℃，VP的聚合进行得非常快，在添加V545后1分钟内开始胶凝。不同于在实施例1-6使用的氧化还原APS/TEMED引发剂，在此模式中产生的自由基是基于V545的热降解。因此，聚合不是pH依赖的的过程。因为酸/NaHCO₃提供的引发系统在此模式中不存在，就需要更精确的定时控制生产PVP超多孔水凝胶。NaHCO₃应在添加V545后马上添加。因为V545引发的聚合不是pH依赖的，它可以用来直接从酸性单体(不需中和)制成超多孔水凝胶。

实施例8聚(丙烯酸)(PAA)超多孔水凝胶

在实施例2中，为了从是酸单体的丙烯酸制成超多孔水凝胶，首先得把丙烯酸中和。否则，单体溶液的pH就会太低，因而当用APS/TEMED作引发剂时，聚合速率就会太慢。然而，因为V545即使在酸性条件下也能引发聚合，就能不需要中和步骤制出超多孔水凝胶。

向试管(外径13毫米×长100毫米)中依次加入下列成分：500μlAA；200μl 2.5％的BIS；100μl水；100μl 10％Pluronic^F127；在加入每种成分之后，震荡试管混合溶液。在85℃水浴中温2分钟后，加入100μl 10％V545水溶液，再次混合。在加入V545 15秒内加入15mg NaHCO₃粉末，使用刮勺剧烈搅拌5-10秒促进起泡和平均分布气泡。溶液在室温下保持5分钟。

实施例9聚(丙烯酸和丙烯酰胺)(聚(AA-和-AM))超多孔水凝胶

通过加13ml AA、9.6g AM，5.81毫升2.5％BIS，约6g NaOH(调节终pH为5.1)和水使终体积为100ml制备单体混合物。

在塑料试管(外径17毫米×长100毫米)中通过混合1.5毫升单体、100μl 10％PF127、50μl 20％的APS、50μl 20％TEMED，和水(使终体积为2ml)，在加入每种成分之后，震荡试管混合溶液。最后加入120mg NaHCO₃，使用刮勺剧烈搅拌10秒促进起泡和平均分布气泡。然后超多孔水凝胶在室温下凝固5分钟。在这一制备中最终单体浓度约17.4％(w/v)，BIS浓度是总单体的0.3摩尔％。刚刚胶凝后在试管中的泡沫高度范围为6.5cm到7cm。

实施例10聚(AM-和-SPAK)-(Ac-Di-Sol^)超多孔水凝胶组合物

在玻璃试管(外径22毫米，内径19毫米，长100毫米)中制备聚(AM-和-SPAK)。依次向试管中加入下列成分：1,200μl 50％的丙烯酰胺(AM)；900μl 50％的丙烯酸3-磺丙酯钾盐(SPAK)；450μl 2.5％的BIS；90μl 10％Pluronic^F127；30μl 50％(v/v)的丙烯酸；45μl20％的过硫酸铵。在加入每种成分之后，震荡试管混合溶液。然后向混合物中加入270mg Ac-Di-Sol^粉末，使用刮勺搅拌使之混合。随之，向混合物中加入45μl 20％的TEMED，重新震荡试管使之混合。最后加入100mg NaHCO₃粉末，立即使用刮勺剧烈搅拌10秒。然后超多孔水凝胶在室温下凝固10分钟。然后，用两把刮勺从试管取出(夹出)超多孔水凝胶，在含400毫升人工胃液(SCF，基于USP pH 1.2)的一升烧杯中洗涤24小时。这一步骤被称为酸化。随后，将超多孔水凝胶在室温下干燥5天。

与其它实施例中相比，在实施例10使用的酸的总量很少，因此产生的气泡总量也很少。由于要求有充分相连和均匀分布孔内毛细管道系统(这是快速溶胀必需的)，在制备过程中需要很好地保留这有限量的气泡。为了检验Ac-Di-Sol^的气泡稳定效果，根据实施例10制备出四种超多孔水凝胶：(A)在没有Pluronic^F127的情况下；(B)在没有Ac-Di-Sol^的情况下；(C)在没有Pluronic^F127和Ac-Di-Sol^的情况下；(d)在没有Ac-Di-Sol^但用两倍多的丙烯酸(AA)(例如用60μl 50％的AA代替30μl)的情况下。只有样品(C)有高的溶胀速率和良好的机械强度，表明有相互贯通的孔存在。SEM照片表明了在样品(C)中的相互贯通的孔。这一研究清楚地表明不管施用的起泡剂的量多小，Ac-Di-Sol^对在超多孔水凝胶中制出相互贯通的孔道很重要。

实施例11聚(N-异丙基丙烯酰胺-和-丙烯酰胺)(聚(NIPAMM-和-AM))超多孔水凝胶

合成了三种聚(NIPAMM-和-AM))超多孔水凝胶。在这些超多孔水凝胶中的NIPAM与AM的摩尔比率是9∶1，8∶2，和7∶3，为了方便这三种超多孔水凝胶分别标记为N90、N80和N70。在玻璃试管(外径20毫米×长150毫米)中制备超多孔水凝胶。总单体浓度为1.34M，总溶液是1.66毫升。BIS与总单体的比率是1摩尔％。

在试管中依次加入单体，交联剂(3.43mg BIS)、泡沫稳定剂、6NHCl(50μl)和引发剂(APS和TEMED各10mg)并混合。最后加入NaHCO₃(60mg)，使用刮勺剧烈搅拌10秒促进起泡和平均分布气泡。

在一个例子中，把PF127(10mg)和Silwet^7605(SL7605)(3mg)用作泡沫稳定剂。首先把SL7605溶解在二甲基亚砜中配成10％的溶液。当只有对样品只用一种表面活性剂，或者是PF127，或者是SL7605时，泡沫并不能持续足够制成均一水凝胶泡沫的时间。然而，在另外的实施例中只用10mg的PF127作为泡沫稳定剂，因为由于增加了更多的AM的亲水性，PF127自己就能很好地稳定泡沫。

实施例12聚(AA-和-AM)-(Ac-Di-Sol^)超多孔水凝胶组合物

向实施例9的配方中加入Ac-Di-Sol^制备含Ac-Di-Sol^的超多孔水凝胶。在加入TEMED前，向溶液中加入50-200mg的Ac-Di-Sol^粉末，用一个刮勺搅拌混合物以均匀分布Ac-Di-Sol^。Ac-Di-Sol^在溶液中溶胀，使溶液粘稠。在加入TEMED和NaHCO₃后，使用刮勺剧烈搅拌10秒，促进起泡和使Ac-Di-Sol^和气泡平均分布。

实施例13 PAM-Primoiel^超多孔水凝胶组合物

要制出含Primojel^的超多孔水凝胶，向玻璃试管(外径20毫米×长150毫米)中依次加入下列成分：600μl AM；120μl 2.5％的BIS；100μl水；100mg的Primojel^；240μl 10％Pluronic^F127；700μlDDW；100μl 6N HCl；70μl 20％的APS；和70μl 20％的TEMED。在加入每种成分之后，用刮勺搅拌试管混合溶液。最后加入100mgNaHCO₃粉末，使用刮勺剧烈搅拌5-10秒促进起泡和平均分布气泡。

实施例14明胶超多孔水凝胶

向试管(外径13毫米×长100毫米)中依次加入下列成分：1毫升10％的明胶；500μl 15％的MgCl₂；20μl 50％(v/v)AA。在混合物温到85℃，加入40μl 6％的戊二醛和含15mg NaHCO₃的悬浊液，使用刮勺剧烈搅拌整个溶液5-10秒，在85℃下保持10分钟。

为了制备明胶超多孔水凝胶，使用戊二醛作交联剂。用MgCl₂作聚合反应的催化剂。建议明胶浓度不大于10％，因为否则粘度就会太高不能很好地混合。由于交联反应在室温下反应很慢，使用85℃以加速交联反应。不需要表面活性剂，因为明胶自身就在该配方中起到表面活性剂的作用。在加入到溶液中前，NaHCO₃首先与15μl水混合制成悬浊液。这是因为在悬浊状态的比在干态在溶液中可以混合得更快。不同于由丙烯酸酯制成的超多孔水凝胶，明胶泡沫在凝固后压缩。

实施例15聚(2-甲基丙烯酸羟基丙酯(HPMA)超多孔水凝胶

向试管(外径13毫米×长100毫米)中依次加入下列成分：500μlHPMA；200μl 10％的BIS(溶于DMSO)；90μl 10％Silwet^L7605(溶于DMSO)。在加入每种成分之后，震荡试管混合溶液。在80℃水浴后，加入180μl 10％APS(溶于水)和90μl 10％TEMED(溶于水)，再次混合。在80℃保持30秒钟后，加入30mg NaHCO₃粉末，并使用刮勺剧烈搅拌整个溶液5-10秒促进起泡和平均分布气泡。在上述配方中，500μl HPMA可以用500μl溶于异丙醇中的50％的HPMA代替。

在上述实验中，不加入酸。在单体混合物已经反应30秒钟后加入NaHCO₃，产生气泡。提前30秒加入NaHCO₃粉并不产生气泡。原因不明，但一个可能的原因是气泡是聚合热导致的NaHCO₃分解产生的。合并使用两种泡沫稳定剂是很重要的，因为其中之一单独并不能提供良好的泡沫稳定效果。

实施例16表面有粘蛋白涂层的超多孔水凝胶

超多孔水凝胶在许多应用中的另一个重要特性是表面的滑溜性。超多孔水凝胶的表面用粘蛋白(Sigma Chemical Company，II型，猪胃粗制品)修饰增加表面的滑溜性。

将在实施例10(聚(AM-和-SPAK)超多孔水凝胶)制备的超多孔水凝胶酸化和干燥。使用剃刀片修整粗糙端(即在合成过程中不面对玻璃使馆的那端)去除粗糙表面。然后用棉签涂布10％粘蛋白溶液(Sigma Chemical Company，II型，猪胃粗制品)。将涂布的超多孔水凝胶在130℃烘箱加热40分钟。在100-160℃加热白蛋白乳液已经被用来制备交联白蛋白微球[Arshady，R.，1990]。在高温下，蛋白质形成交联的网络。粘蛋白在130℃超多孔水凝胶表面交联，提供了滑溜的表面特性。即使在涂层的超多孔水凝胶在人工胃液(SGF)中洗涤超过两天，依然保留其滑溜性。反之，假如粘蛋白涂层超多孔水凝胶不加热，只在室温下干燥，因为表面粘蛋白没有交联和溶于SGF中，滑溜性只保留一小时。

II.超多孔水凝胶的溶胀特性

A.超多孔水凝胶的迅速溶胀

根据凝胶的溶胀动力[Tanaka，T.等，1979]，溶胀的特性时间与凝胶特性长度(L)的平方成正比，与凝胶网络在溶剂中的扩散系数(D)成反比，如下：

τ＝L²/D

对于一个球形水凝胶来说特性长度是半径，对一个片状水凝胶来说则是厚度。水凝胶网络的扩散系数是10^-7cm²/sec的数量级[Kabra，B.G.等，1994；Tanaka，T.等，1979]。一个1厘米厚扩散系数是10^-7cm²/sec的凝胶片将用一小时达到平衡溶胀的50％，大于六小时达到平衡的90％[Gehrke，S.H.，等，1993]。这对要用于实际应用的凝胶，例如在婴儿尿布中使用的超吸收剂来说实在太慢了。为了制出迅速溶胀的超多孔聚合物(SAPs)，在工业中通常采用粉末状的亚毫米大小的凝胶。凝胶大小的限制限制了SAP的有用应用，而较大尺寸的SAP将当然是更合乎需要的[Knack，I.等，1991]。

在水溶液中干超多孔水凝胶的整个溶胀时间取决于两个因素：t₁和t₂。t₁是在超多孔水凝胶中水到达所有孔的表面的时间。它取决于在超多孔水凝胶中毛细血管作用的效能。t₂是聚合物基质的真实溶胀时间，它取决于孔腔的壁和支撑的厚度。因为超多孔水凝胶的孔腔壁和支撑的厚度非常薄，范围从低于1毫米到十微米，它们的特性溶胀时间非常短。对于超多孔水凝胶，t₂可与超薄水凝胶薄膜的媲美。毛细作用主要取决于毛细管道的利用率和管道的润AA湿度。已经尝试了各种方法通过保持孔内管道开放和良好的表面润湿性以保持良好的毛细作用(即，降低t₁)。

密度和溶胀比的测定

如实施例9所述，使用部分中和的丙烯酸(AA)和丙烯酰胺(AM)作为单体。用NaOH中和AA的中和度为70％到100％。AA对AM的摩尔比是5∶4。使用BIS作为交联剂，其浓度是总单体的0.3摩尔％。这些数据是根据在尿布工业中使用的配方选择的[Tanaka，T.等，1985]。在这一配方中的单体的最终浓度是约17.4％(w/v)，BIS浓度为总单体的0.3摩尔％。

在制备出超多孔水凝胶后，用不同的工艺对它们进行处理。研究了这些工艺对密度、溶胀比和溶胀时间的影响。另外，也检查了不同的添加物对超多孔水凝胶溶胀特性的影响。这些数据在表2中给出。

通过d＝W_d/V_d计算干超多孔水凝胶的密度(d)，其中W_d是干超多孔水凝胶的重量，V_d是干超多孔水凝胶的体积。因为一些干超多孔水凝胶在干燥后丧失了它们的圆柱形外形，直接测量它们的体积很困难。通过溶剂替换方法测定V_d。简要地说，使用镊子将一个干超多孔水凝胶强制浸没在盛于量筒中的己烷液面下，然后迅速从己烷中取出。取出前后量筒体积读数的改变就是干超多孔水凝胶的体积。这一方法的精确度与使用刻度尺测量形状规则的超多孔水凝胶的直径和长度的相同。使用己烷的原因是它的疏水性非常强，这样超多孔水凝胶就不溶胀和吸收溶剂。

对于溶胀研究，使用去离子蒸馏水(DDW)作为溶胀介质。将每一块超多孔水凝胶切成圆盘状，直径是厚度的两倍(例如，样品表2中的样品#4直径0.8cm厚0.4cm，重50到65mg)。因为超多孔水凝胶在溶胀后操作时非常容易碎，通过筛法测定溶胀比Q。

溶胀比定义如下：

Q＝(W_s-W_d)/W_d

其中，W_s是溶胀的超多孔水凝胶的重量，W_d是干超多孔水凝胶的重量。将超多孔水凝胶放在筛网称重船形器皿上。把含超多孔水凝胶的筛网称重船形器皿浸没在蒸馏的、去离子水(DDW)中使超多孔水凝胶溶胀到平衡。为了测定Q，将船形器皿取出，排去筛网的自由水，并用一张纸巾去除筛网底下的剩余的水。然后，从总重量中减去船形器皿的重量就测出溶胀的超多孔水凝胶的重量。这一方法避免直接操作易碎的超多孔水凝胶。

溶胀时间是当超多孔水凝胶放置到溶胀介质DDW中达到平衡溶胀状态的时间。

C.非多孔水凝胶和超多孔水凝胶的比较

除了不加入PF127和NaHCO₃外，按用于超多孔水凝胶制备相同的配方制备非多孔水凝胶(在表2中的样品#1)。基于在实施例9所述的配方制备样品#2。聚合后，使用一个刮勺从试管取出超多孔水凝胶，并在55℃烘箱中干燥一天。在样品#3中，使取出的超多孔水凝胶在DDW中溶胀至平衡，并用DDW洗涤几次。然后把洗涤的超多孔水凝胶在55℃烘箱中干燥一天。这一步骤去除了残留在超多孔水凝胶中的水溶性成分例如泡沫稳定剂PF127。由于与纯水的表面张力增加，缺少这种水溶性成分被认为会影响在干燥时超多孔水凝胶的压缩程度。

由于有多孔结构，样品#2和#3的密度分别为0.76和0.80g/cm³，比非多孔凝胶的密度要小(1.3g/cm³)。样品#2和#3还具有比非多孔水凝胶(Q＝173)高的溶胀比(Q分别为328和307)。着还是因为超多孔水凝胶的多孔结构。水可以保持在开放的孔中，这样超多孔水凝胶总吸水性就较高。样品#2和样品#3溶胀比非多孔水凝胶(720分钟)快得多(分别为31分钟和51分钟)。样品#3的溶胀时间比样品#2的长，可能是因为样品#2和#3润湿性不同。因为样品#2没有被洗涤，在超多孔水凝胶表面残留了水溶性成分，例如PF127。这些成分可能改变润湿性，这样样品#2比样品#3溶胀得快。

尽管在样品#2和#3中的超多孔水凝胶比常规、非多孔水凝胶溶胀的3快，但是它们的溶胀时间还是远比期望的时间慢。这些超多孔水凝胶的限时步骤被发现是水渗透步骤(即t₁)。水到达超多孔水凝胶的中央几乎耗费了所有的溶胀时间。在水到达超多孔水凝胶中央后，它们迅速溶胀到其平衡大小。这就意味着在超多孔水凝胶中t₂的非常短，但t₁非常长。为了降低总溶胀时间，必须降低t₁。因此，随后的工作就集中在通过提高毛细作用增加水渗透性的方法上。

D.乙醇脱水或冷冻干燥对超多孔水凝胶溶胀和弹性特性的影响

样品#2用大于30分钟的时间用于平衡溶胀。这一非常慢的溶胀源于干燥工艺。合成的超多孔水凝胶含存在于单体混合物中的水(单体浓度是17.4％(w/v))。在干燥工艺中，单个聚合物链因水的高表面张力聚集在一起(室温下是72dyn/cm)，这一行为就关闭了一些孔。因此，泡沫收缩成更小和浓缩的部分(密度0.76g/cm³)。许多毛细管道关闭或部分阻塞形成“盲端”结构。因此，即使与水接触也不能期望有毛细作用。乙醇脱水被发现是解决空气干燥工艺产生的这一问题的好方法。

在样品#4中，在表2中，使用纯乙醇脱水合成的超多孔水凝胶。在超多孔水凝胶在试管中合成后，向试管中加入5-10ml纯乙醇对超多孔水凝胶进行脱水。在起始的干燥步骤(在这一步骤一些水被乙醇替代)后，取出超多孔水凝胶，进一步在含50ml纯乙醇的盘中脱水数次以确保所有的水分被乙醇替代。在脱水工艺中，柔软和柔韧的超多孔水凝胶就变得坚硬和易碎。在脱水完成后，使用一张纸巾通过吸收去除在超多孔水凝胶中的多余的乙醇。然后把超多孔水凝胶在55℃烘箱中干燥一天。对样品#5，在使用纯乙醇脱水前首先使合成的超多孔水凝胶在DDW中溶胀到平衡。

用乙醇干燥而没有预先在DDW中溶胀的超多孔水凝胶(样品#4)密度为0.26g/cm³，远比样品#2的(0.76g/cm³)低。这就意味着乙醇脱水的超多孔水凝胶具有更高的孔隙率。样品#4的溶胀比与样品#2的相似，表明脱水不能改变水吸收性。然而，在样品#4的溶胀时间大大降低(在样品#4中是4.8分钟，在样品#2中是31分钟)。

有助于乙醇脱水的超多孔水凝胶快速溶胀的主要原因是保留的毛细管道。因为乙醇是聚合物的非溶剂，在脱水工艺中，水被乙醇代替，随后聚合物链从乙醇沉淀，丧失柔韧性。这就是为什么超多孔水凝胶在脱水后变得坚硬的原因。当脱水的超多孔水凝胶在55℃烘箱中干燥后，因为聚合物链不能自由移动，它们不能被低表面张力的乙醇聚集在一起。因此，超多孔水凝胶不能压缩，从而在干燥步骤后保留毛细管道。乙醇有低的表面张力(在室温下同水72dyn/cm相比是22dyn/cm)，这就意味着驱动聚合物压缩的力较小。对于干燥工艺，不仅可以使用乙醇，也可以使用其它常规有机溶剂例如丙酮、甲醇、和异丙酮等。

被乙醇脱水的超多孔水凝胶比没有被乙醇脱水的具有较大的孔径和较低的密度。SEM照片表明样品#4孔径的数量和大小远远大于样品2的。在样品#4中的孔径还相互贯通形成毛细管道，这样水可以容易渗透进超多孔水凝胶的中央。在有和没有乙醇脱水的蔗糖超多孔水凝胶中也能发现类似的结构差异。

在样品#5中，在用乙醇脱水前将超多孔水凝胶在DDW中溶胀。样品#5的超多孔水凝胶密度为0.13g/cm³，甚至比样品#4的还低。这是因为在样品#5中，超多孔水凝胶在脱水前充分溶胀，即，聚合链被充分松弛。在这种状况下脱水就产生较大体积的超多孔水凝胶。在样品#5的低密度表明它们具有甚至更好的毛细系统。这有助于样品#5(4.1分钟)比样品#4(4.8分钟)的溶胀时间稍微快些。

在塑料泡沫中，例如酚醛泡沫塑料，最普通的泡沫类型是直径几百微米。除了这些大孔外(称作宏孔腔(macrocell))，在宏孔腔的壁上还有直径约1μm次要的孔(称作微孔腔)[Shutov，F.A.，1991]。在本发明的超多孔水凝胶中也发现了微孔腔。用SEM测定微孔腔是0.1到5微米的大小。微孔腔比超多孔水凝胶的主孔小2-3个数量级。

所有的超多孔水凝胶也可以冷冻干燥。冷冻干燥的超多孔水凝胶表现出以前从未观察到的独特的性质。冷冻干燥的超多孔水凝胶溶胀特性(即，溶胀比和溶胀时间)比乙醇干燥的超多孔水凝胶样品提高(即，它们溶胀更快大小更大)。冷冻干燥的超多孔水凝胶的最独特的特性是它们的弹性。不同于空气干燥或乙醇干燥，冷冻干燥导致固体基质非常柔韧。因此，冷冻干燥的超多孔水凝胶可以压缩、拉长或变成任何形状而不破裂。干超多孔水凝胶在处理干水凝胶进行进一步操作方面的这一弹性特性极为重要。例如，可以容易地把干超多孔水凝胶压缩以适合明胶胶囊用于口服，由于它们的高柔韧性而不破裂。

E.润湿剂对超多孔水凝胶溶胀动力学的影响

仅仅有相互贯通的毛细管道对良好的毛细行为来说还不足够。超多孔水凝胶的表面必须还含有良好的润湿性。在表2中的样品#4和样品#5都具有良好的毛细管道，但水的渗透仍需4分多钟。这一主要原因是超多孔水凝胶不具有良好的润湿性。表面润湿性主要取决于聚合物的种类和特性、表面粗糙度和溶胀介质。因为微观水平的粗糙度不容易控制，最有用的介质是水，因此使用不同的润湿剂改变超多孔水凝胶的表面特性。

润湿剂改变表面润湿性。如美国专利号5,149,335中所述，可以使用Voranol^(Dow Chemical Company制造的一种多元醇)作为润湿剂以增加聚丙烯酸脂水凝胶微粒的溶胀速率。用含1％Voranol_240-800 ^(Voranol表示的数字是羟基数和分子量)的乙醇对超多孔水凝胶脱水制得样品#6。如表2所示，用Voranol处理的样品#6密度和溶胀比与样品#4的类似。然而，样品#6的溶胀时间(t＝2.8分钟)比样品#4(t＝4.8分钟)更快。这就表明通过提供更好的表面润湿性润湿剂可以降低溶胀时间。有可能其它润湿剂能更好地降低溶胀时间。

F.含水量对超多孔水凝胶溶胀动力学的影响

通过分别润湿样品#2和4制备在表2中的样品#7和#8。将干超多孔水凝胶放置到支架上，支架放在一个在底部有少量水的带盖的容器中。在室温下把样品#2放在润湿室中24小时制得样品#7。超多孔水凝胶吸收126±11％其原重量的湿气。在室温下把样品#4放在润湿室中12小时制得样品#8。它吸收81±4％其原重量的湿气。通过润湿时间的长短和温度控制吸收的潮气的量。

在润湿后溶胀比并不改变。所有四个样品(样品#2、4、7、8)在DDW中具有相似的溶胀比(表2)。然而，润湿显著降低了溶胀时间。经这一处理后，样品#7的溶胀时间从31分钟(样品#2)降到仅仅7分钟，而样品#8的溶胀时间从4.8分钟(样品#4)降到仅仅37秒。如上所述，对超多孔水凝胶水的渗透是限时步骤。在润湿后降低的溶胀时间被认为是超多孔水凝胶表面润湿性的提高。

在润湿后表面润湿性的改变是由水凝胶的亲水亲油特性引起的。在水合状态的聚合物链具有高的灵活性。当超多孔水凝胶被干燥后，在空气-聚合物界面的聚合物链改变它们的定向和/或构象以降低自由能，这样相对疏水的侧链或主链就面向空气。这就导致表面特性从相对亲水变为相对疏水。经润湿处理，这一过程就相反。聚合物链再次改变它们的定向和/或构象，表面特性变得相对亲水[Holly，F.J.等1976；Ratner，B.D.等，1986]。这一改变就导致在样品#7和8润湿性的提高。

G.超崩散剂对超多孔水凝胶溶胀动力学的影响

超多孔水凝胶乙醇脱水显著降低了溶胀的时间。然而，这一步骤需要重复使用乙醇完成脱水。为了找到更简单的一种方法，企图把一种“超崩散剂”加进超多孔水凝胶中。

超多孔水凝胶，例如Ac-Di-Sol^，Primojel^，Explotab^，和Crospovidone^已经广泛应用为片剂和胶囊，以促进它们迅速崩散。崩散的机理是基于溶胀、芯吸、和崩散剂变形[Kanig，J.L.等，1984]。当把压缩的片剂放到水溶液中，可以迅速吸收水，崩散剂的溶胀就迅速使片剂分裂。

如上所述，空气干燥的超多孔水凝胶丧失了相互贯通的毛细管道(在片剂中的样品#2)。然而，在结合有超崩散剂的情况下，在压缩的超多孔水凝胶中的“盲端”结构可以通过与结合的超崩散剂溶胀，压缩的管道就可以张开以恢复毛细管作用。

1.交联的羧甲基纤维素钠(Ac-Di-Sol^)的影响

Ac-Di-Sol^(FMC公司)是一种交联的羧甲基纤维素钠。在干燥状态，它以直径10-20μm长100-200μm的硬纤维的形式存在。为了结合进表2中的样品#9-12中，在加入TEMED之前向单体溶液中加入了多种量(50mg到200mg)的Ac-Di-Sol^，使用刮勺搅拌溶液使Ac-Di-Sol^均匀分布，这样形成一种粘性混合物。在加入NaHCO₃开始聚合后进行搅拌，进一步混合Ac-Di-Sol^，粘度迅速增加，沉到试管底部的Ac-Di-Sol^可以忽略不计。完成聚合后，把超多孔水凝胶在55℃烘箱干燥一天。

表2中的样品#9、#10、#11和#12密度分别为0.48、0.39、0.33、和0.28g/cm³。Ac-Di-Sol^含量的增加降低了合成的超多孔水凝胶的密度。当Ac-Di-Sol^和单体溶液混合，它就发生溶胀，这样单体(AM和AA)和交联剂(BIS)就吸收进纤维素网络中。当聚合完成后，Ac-Di-Sol^微粒的纤维素网络和交联的聚(AA-和-AM)网络形成一个相互贯通的聚合物网络(IPN)。这一IPN构造就限制在Ac-Di-Sol^微粒中，因此停留在那里的IPNs(或Ac-Di-Sol^微粒)基本上就起到合成超多孔水凝胶的交联剂的作用。在干燥工艺中，刚性Ac-Di-Sol^纤维保留在网络结构中，这样超多孔水凝胶收缩的较小。有较高含量Ac-Di-Sol^的超多孔水凝胶具有较高的粘度和较好的毛细管道。

然而，Ac-Di-Sol^的添加，降低了超多孔水凝胶的溶胀比。样品#2、9、10、11、和12的溶胀比分别是328、294、192、120、和91。这一降低是由于停留在那里的IPNs交联的增加。另一方面，Ac-Di-Sol^的添加显著降低了溶胀的时间。样品#2、9、10、11和12的溶胀时间分别是31分钟、8.5分钟、1.2分钟、35秒和22秒。

Ac-Di-Sol^起到促进溶胀速率加倍的功能。首先，它有助于保留毛细管道。这从结合有Ac-Di-Sol^的超多孔水凝胶的密度较低这一点来看是明显的。然而，与样品#4、#5和#6比较，样品#12密度较高而溶胀时间较短。这就表明保留的毛细管道不是其迅速溶胀的唯一原因。据认为对Ac-Di-Sol^溶胀的另一个贡献是它的亲水性。Ac-Di-Sol^具有高的润湿性，接触角等于0°[Gissinger，D.等，1980]。因此，Ac-Di-Sol^的加入使得超多孔水凝胶的表面更加亲水并具有更好的润湿性。

2.交联的淀粉羟基乙酸钠(Primojel^)的影响

还研究了Primojel^对超多孔水凝胶溶胀时间的影响。Primojel^是一种交联的淀粉羟基乙酸钠。

根据实施例13制备含Primojel^的超多孔水凝胶。合成后在55℃烘箱干燥。为了比较，也制备了不含Primojel^的对照超多孔水凝胶。它们或者合成后在55℃烘箱干燥，或者用乙醇脱水后经烘箱干燥。这三组超多孔水凝胶在DDW中测定溶胀时间。不含Primojel^和不经乙，醇脱水的超多孔水凝胶的溶胀时间8.5分钟。不含Primojel^但经乙醇脱水的超多孔水凝胶的溶胀时间1.4分钟。含100mg Primojel^和不经乙醇脱水的超多孔水凝胶的溶胀时间仅仅为0.6分钟。这一研究表明也能显著降低超多孔水凝胶的溶胀时间。除了Ac-Di-Sol^和Primojel^，其它片剂崩散剂例如Explotab^，和Crospovidone^具有类似的片剂崩散机制。与Ac-Di-Sol^一样，Primojel^和Explotab^亲水性非常强，接触角为0°[Gissinger，D.，等，1980]。它们也被认为具有促进超多孔水凝胶溶胀的能力。

H.交联剂浓度对超多孔水凝胶溶胀动力学的影响

为了研究交联剂浓度对溶胀特性的影响，制备了含不同量交联剂的超多孔水凝胶。在表2中的样品#2、#13和#14的交联剂含量(BIS)分别是单体含量的0.3摩尔％、0.6摩尔％和0.9摩尔％。

表2表明了交联剂浓度的增加降低了超多孔水凝胶的密度(对样品#2、#13、和#14分别是0.76、0.45和0.38g/vcm³)。当加入更多的交联剂时溶胀比也降低，这并不令人惊奇。很有意思，我们注意到当使用更多的交联剂时，溶胀时间也显著下降(对样品#2、#13、和#14分别是31、13.4和3.1分钟)。样品#13和#14较快的溶胀时间被解释为是基于用SEM观察的结构。交联密度较高，聚合物网络就变得更加刚性。因此，在干燥过程中，超多孔水凝胶较少收缩，毛细管道不易于阻塞。在样品#14观察到相互贯通的毛细管道，而在样品#12中许多这些管道是阻塞的。

I.影响超多孔水凝胶溶胀动力学的其它因素

聚合物的类型对超多孔水凝胶的溶胀动力学有很大的影响。对于具有相同的多孔结构的超多孔水凝胶，润湿性较好的溶胀更快。据认为决定水凝胶润湿性的的主要因素是聚合物网络在表面的化学结构[Holly，F.J.等，1976]。经乙醇脱水处理的由缩水甘油基丙烯酸脂修饰的蔗糖单体合成超多孔水凝胶在少于0.3分钟溶胀到平衡[Chen，J.，1997]，而用相同方法制备的相似大小的超多孔水凝胶(样品#4)要用4.8分钟达到平衡。这一差异部分归因于聚合物润湿性的不同。

孔隙率也影响超多孔水凝胶的溶胀动力学。超多孔水凝胶的孔隙率主要取决于添加的起泡剂的量。孔隙率较高的超多孔水凝胶更不易具有阻塞的管道。另外，当使用更多的起泡剂时，超多孔水凝胶孔腔壁较薄，导致特征时间t₂较短。用较多的酸制备的超多孔水凝胶的溶胀时间比用较少的酸制备的快。

已经有人建议通过用斯盘^20溶液或CaCl₂溶液洗涤来提高聚合泡沫的润湿性[DesMarais，T.A.等，1994]。在本研究中，用同样的工艺处理超多孔水凝胶。然而，这一工艺对超多孔水凝胶的溶胀动力学不能造成任何提高。

II.超多孔水凝胶和超棵水凝胶复合物的机械特性

对许多应用来说高机械强度的超多孔水凝胶是非常重要的。而往往超多孔水凝胶和常规的水凝胶的机械特性太低了，不能含有水凝胶和超多孔水凝胶的其它功能特性的实用性。水凝胶和超多孔水凝胶的重要应用之一是口服控制的药物传递系统。水凝胶被用作长期(大于24小时)口服药物传递的站台。由于完全溶胀的水凝胶尺寸较大，表面滑溜，它们已经被成功地用作胃保留设备进行长期口服药物传递[Shalaby，W.S.W.，等，1992A；Shalaby，W.S.W.，等，1992B]。使用基于水凝胶的胃保留设备的局限之一是干水凝胶溶胀太慢，这样施用到狗的所有的干水凝胶在完全溶胀到所需尺寸前已经排空到胃？？中。为了避免常规水凝胶产生的溶胀慢的问题，合成如上所述的超多孔水凝胶。然而虽然不管多大尺寸的超多孔水凝胶溶胀都非常迅速，但完全溶胀的超多孔水凝胶的机械强度却很低。因此，制出了各种超多孔水凝胶复合物以增强完全溶胀的超多孔水凝胶的机械强度。在研究如上所述的各种超多孔水凝胶的溶胀动力学过程中，观察到甚至即使在溶胀平衡后含Ac-Di-Sol^和Primojel^的超多孔水凝胶的一些样品仍保持高的机械强度。这就使我们进一步研究超多孔水凝胶“复合物”即用崩散剂制备的超多孔水凝胶的机械特性。配方变量，例如交联剂的量、崩散剂的量、增塑剂的种类和量、单体的种类、起泡剂的量‘以及工艺变量例如酸化，都影响超多孔水凝胶的机械性能。

A.机械特性的检测方法

使用台式比较器(B.C.Ames公司，Waltham，MA)检测超多孔水凝胶的机械特性。把在人工胃液(SGF)中溶胀的超多孔水凝胶纵向放置到与一个螺旋测微器连接的低触点上。用一个实验千斤顶支撑超多孔水凝胶。在台式比较器上触点加上重物，并逐渐增加重量。从量表中读出在压力下超多孔水凝胶的溶胀高度。从重物和与低触点的接触面积计算超多孔水凝胶受到的压力。测出两个参数，在100cm下的水压和极限压缩压力(UCP)，以表征超多孔水凝胶的机械特性。通过采用增加重物的重量直到超多孔水凝胶开始破裂的一点来测定UCP。在这一点的压力定义为UCP。

B.Ac-Di-Sol^和对超多孔水凝胶机械特性的影响

崩散剂，例如Ac-Di-Sol^的存在对提高超多孔水凝胶的特性是非常重要的。如上所述，Ac-Di-Sol^显著提高超多孔水凝胶的溶胀动力学和机械特性。在另一项研究中，还发现Ac-Di-Sol^显著增加常规的、非多孔水凝胶的机械特性。把Ac-Di-Sol^对超多孔水凝胶机械特性的影响进行了详细测定。

除了所有这些超多孔水凝胶都不酸化外，即，它们不用人工胃液处理，基于聚(AM-和-SPAK)(见实施例10)制备喊不同量Ac-Di-Sol^的超多孔水凝胶。它们在SGF中溶胀到平衡大小后在台式比较器上研究这些超多孔水凝胶的机械特性。

在100cm水压下加入Ac-Di-Sol^稍微降低超多孔水凝胶的溶胀大小1.8到1.2cm。另一方面，它显著增加超多孔水凝胶的UCP值(图2中的o)150弱到约250cm水压。这是机械强度惊人的提高。据认为Ac-Di-Sol^和的添加增加超多孔水凝胶的有效交联密度。Ac-Di-Sol^也被认为起到超多孔水凝胶中的填充剂的作用。通过物理缠结产生的有效交联密度的提高不同于通过其它常规交联剂例如BIS产生的交联密度的提高。当Ac-Di-Sol^的浓度太高，单体溶液的浓度粘度就变得太高，这就使得所有的成分不能很好地混合。当加入达270mg Ac-Di-Sol^时，就能达到良好的混合。

当Ac-Di-Sol^纤维和单体溶液混合时，它们溶胀并吸收单体溶液。当聚合反应被激发后，在Ac-Di-Sol^纤维中的单体与主体单体溶液一起聚合，这样就绕Ac-Di-Sol^形成局部相互贯通的聚合物网络。Ac-Di-Sol^纤维化学结合到超多孔水凝胶基质上为一个整体。这一结构使得超多孔水凝胶的整个机械强度显著增加。Ac-Di-Sol^纤维与聚合物网络的物理缠结也可用SEM来证实。

C.单体类型对超多孔水凝胶机械特性的影响

在超多孔水凝胶中使用的单体类型显著影响超多孔水凝胶的机械特性。当只用丙烯酰胺(AM)作单体时，超多孔水凝胶既不表现出较大的尺寸，也不表现出很好的机械强度。当单独使用SPAK时，超多孔水凝胶溶胀到较大的尺寸但机械强度不强。当AM和AA共聚时，超多孔水凝胶在100cm水压下变形到非常小的尺寸。然而，当AM和SPAK共聚时，超多孔水凝胶表现出良好的溶胀特性并也表现出良好的机械特性。

D.酸化对超多孔水凝胶机械强度的影响

尝试对合成的超多孔水凝胶进行多种后处理以提高超多孔水凝胶的机械特性。在如实施例10那样制备出超多孔水凝胶后，把它们在SGF(pH 1.2)洗涤24小时。然后把它们在60℃烘箱干燥或在常温下空气干燥。允许干超多孔水凝胶在SGF中溶胀，并使用台式比较器检测它们的机械特性。

检测了用三种不同的后处理工艺处理的超多孔水凝胶：(A)没有在SGF中洗涤的超多孔水凝胶；(B)在SGF洗涤并在60℃烘箱干燥24小时的超多孔水凝胶；(C)在SGF洗涤并在常温下空气干燥5天的超多孔水凝胶。洗涤步骤部分酸化了阴离子SO₃ ^-基团为SO₃基团，它大大改变了超多孔水凝胶的特性。三种样品A、B和C的UCP分别是189、284和368cm水压。酸化的超多孔水凝胶使得它们比不经酸化的超多孔水凝胶的更强。另外，在室温下干燥的酸化的超多孔水凝胶的UCP甚至比60℃烘箱干燥的更强。显然这一酸化工艺能显著提高超多孔水凝胶的机械特性。

IV.水凝胶复合物的机械特性

高度溶胀的超多孔水凝胶通常具有弱的机械强度，这一特性限制了其它有用的水凝胶的应用。因此，即使对于常规的水凝胶也非常期望提高机械特性而保持高的溶胀比。因为发现Ac-Di-Sol^纤维增加超多孔水凝胶的机械强度，就检测了Ac-Di-Sol^纤维对常规水凝胶的机械强度的影响。发现当用Ac-Di-Sol^纤维制成常规的水凝胶复合物时，机械强度的提高比超多孔水凝胶提高的更显著。

A.水凝胶复合物的合成

向塑料试管(17毫米×100毫米)中依次加入下列成分：Ac-Di-Sol^、AM、BIS、APS和蒸馏水使终体积为5毫升。Ac-Di-Sol^变化的量列于表3。AM的终浓度为10％(w/v)，BIS(交联剂)的浓度为单体的0.46摩尔％。APS浓度是单体即AM浓度的4％(w/w)。然后充分搅拌混合所有成分。然后，向混合物中加入浓度为单体4％(w/w)的TEMED，剧烈搅拌溶液15秒以进一步混合。加入TEMED后30-60秒内开始胶凝。在室温下凝固制备的水凝胶24小时，随之用蒸馏水洗涤4天。也以同样的方法合成含Crospovidone^XL的聚丙烯酰胺(PAM)水凝胶。在干水凝胶中的Ac-Di-Sol^和Crospovidone^含量基于添加的量计算。作为对照，也合成了不含崩散剂但有不同量的交联剂的PAM水凝胶。对所有样品最终单体也是10％(w/v)，BIS的浓度变化从单体的0.46摩尔％到1.84摩尔％。

B.水凝胶复合物的特性

把充分溶胀的水凝胶切成1cm长的盘状。它们的直径从1.2到1.8cm。使用台式比较器检测机械特性。简而言之，把一个圆柱形、溶胀的水凝胶放在连接到一个螺旋测微器上的板上。施加重物并增加重量，记录每一重量的水凝胶变形(即，非变形和变形的水凝胶的高度差)。在每一次测定后，加上下一个重物前，完全去除重物，使水凝胶回复到其起始高度。当变形低于其原高度的10％时力与变形图的线性部分用来计算力/变形系数。通过下面的方程计算抗压模量

E_c＝SH_s/A_s

其中E_c是抗压模量，S是力/变形系数。H_s是充分溶胀的凝胶的高度，A_s是充分溶胀的凝胶顶部面积。

洗涤的水凝胶用空气干燥到恒重。在室温下蒸馏水中进行溶胀研究。在定时的时间间隔，从水中取出凝胶，吸去多余的水分，并称重。Q的溶胀比通过下式计算：

Q＝(W_s-W_d)/W_d

其中W_s和W_d分别是溶胀的和干的凝胶的重量。

图4表明聚丙烯酰胺和Ac-Di-Sol^复合物的溶胀比和抗压模量的改变是Ac-Di-Sol^含量的函数。当Ac-Di-Sol^含量从干水凝胶总重的0％增加到50％，抗压模量(代表抗压性)增加4.7倍，从0.25增加到1.17kg/cm²(图4-A)，溶胀比降低2.4倍，几乎是线性地从19.0降到7.8(图4-B)。平衡溶胀比的降低是可以理解的，因为各个Ac-Di-Sol^纤维被期望起到物理交联剂的作用。

随着Crospovidone^XL含量增加溶胀比和抗压模量的改变类似于上述聚丙烯酰胺和Ac-Di-Sol^的复合物。当Crospovidone^XL含量从水凝胶干重0％增加到60％，抗压模量从0.25增加到1.07kg/cm³(4.2倍)，而溶胀比从19.0降低到4.3(4.4倍)。

对于使用递增量的交联剂例如BIS但不含Ac-Di-Sol^和Crospovidone^XL的常规水凝胶，抗压模量的增加很小。当BIS含量从0.46摩尔％增加到1.84摩尔％，抗压模量从0.25增加到0.71kg/cm²(2.8倍)，溶胀比从19.0降低到9.2(2.1倍)。BIS对增加抗压模量的影响表现出一定的限制。当BIS含量达到1.4摩尔％，抗压模量曲线开始变平。增加的交联剂不再增加抗压模量。然而，通过使用更多的Ac-Di-Sol^和Crospovidone^，可以制得更强的水凝胶。只增加BIS的浓度不能使水凝胶如用Ac-Di-Sol^和Crospovidone^增强的水凝胶复合物那样机械性能强。在Ac-Di-Sol^和Crospovidone^XL之间，Ac-Di-Sol^是制备水凝胶复合物的较好选择。

除了上述材料，其它纤维也可以用来提高水凝胶复合物的机械强度。据发现，当短棉花纤维加入到聚丙烯酰胺水凝胶中时，抗压模量显著增加。

V.超多孔水凝胶和超多孔水凝胶复合物在胃中的保留

在药学研究中早已经认识到在扩展的一段时期释放活性成分的控制药物传递系统的重要性。它为患者提供了很大的便利通过在延伸的一段时间内药物血液水平一致和均匀提高了治疗效率。在药物传递的许多途径中，口服始终是最便利和最常用的向系统循环导入药物的方法。口服药物传递的持续时间受口服剂型残留在小肠上部的时间限制。所有没有合适站台的口服剂型在1小时左右就从胃中排空，经过小肠上部的时间低于1小时。因为大多数药物只从小肠上部吸收，它们不得不被一天施用几次，除非这种药物的半衰期长。

胃部滞留设备被设计用来延长剂型在胃中的保留时间以实现口服药物的长时间传递。在只服用一次后，使用一种水凝胶站台用于口服药物传递达50小时[Shalaby，W.S.W.等，1992A]。然而，在这些研究中，水凝胶剂型不得不预先溶胀以避免由于溶胀到所需的尺寸较慢剂型过早从胃中排空。超多孔水凝胶和其复合物的使用解决了溶胀慢和机械强度低产生的问题。

超多孔水凝胶的胃部滞留是基于它们迅速的溶胀特性。胃部残留机制在图5中所示。将超多孔水凝胶或其复合物装入胶囊这样其起始体积足够小，便于吞咽(图5-A)。口服后在胃液中它迅速溶胀(包括明胶胶囊的溶解少于10分钟)到一个大的尺寸。这样就避免它被排空到肠中(图5-B)。超多孔水凝胶或其复合物可以含药物以控制释放。超多孔水凝胶或其复合物可以被缓慢降解在胃中或者通过机械力，或者通过化学或酶水解组成水凝胶的聚合物链(图5C)。最终，降解的超多孔水凝胶或其组合物从胃中排除。

为了实际应用为胃部滞留设备，超多孔水凝胶必须具有下列特性。首先在溶胀前，它们应小到足以吞咽。在本发明，使用000大小的硬明胶胶囊装超多孔水凝胶和其复合物。其二，它们必须迅速溶胀以避免过早排空到肠中。据发现在少于10分钟完全的溶胀足以防止过早排空。第三，溶胀的超多孔水凝胶或其复合物的大小必须足够大以在胃中保留。人体幽门括约肌的直径约2cm。在通常情况下，幽门括约肌是关闭的。然而，它可以被展开并甚至让直径大于2cm的物体通过。最后，充分溶胀的超多孔水凝胶或其复合物强度必须足够高，以经受胃组织的蠕动收缩(图5中B-1→B-5)。

在一个体外胃保留实验中，使用射线透不过的标记定位超多孔水凝胶和其复合物在胃肠管道的准确位置。把含BaSO₄的水凝胶小丸用作X线标记。在薄塑料管(内径3-35mm)中制备含BaSO₄的水凝胶小丸，在一个玻璃小瓶中依次加入下列成分：1300μl 50％的AM；800μl2.5％的BIS；150μl 20％的APS；1300μl 40％的BaSO₄悬浊液(E-Z-EM)；和80μl 20％的TEMED。在加入每一成分后湍动小瓶混合所有成分。然后把混合物注射到塑料试管中。加入TEMED后5分钟内混合物开始胶凝。在室温下凝固1小时后，把面条状的胶从塑料试管中取出，切成小段，在60℃烘箱干燥5小时。干燥的胶丸是白色的直径是2mm长2mm。

为了把含BaSO₄的水凝胶小丸与超多孔水凝胶或其组合物混合，在加入APS前，把两到六个小丸放到实施例10中的单体溶液中。加入NaHCO₃后，机械搅拌混合5到10秒以使小丸平均分布。

含BaSO₄的水凝胶小丸能提供下面的优点。它们与背景的反差很大，因此即使它们被吞咽几天后也容易检测到。干水凝胶小丸的大小很小，这样它不影响超多孔水凝胶包装到明胶胶囊中。在水凝胶中可以分散几个小丸，这样超多孔水凝胶的破碎就可以很容易地监测到。

在狗中检测用于胃部滞留的放置在明胶胶囊中的超多孔水凝胶。在禁食或饱食条件下检测有不同特性的超多孔水凝胶。在所有的实验中使用的狗是约50磅。禁食条件是这样达到的，使狗禁食36小时，但狗可以自由饮水。饱食条件是通过就在口服胶囊前喂给狗447g罐头食品。在每一实验(禁食状态或饱食状态)中，就在口服胶囊之前通过胃管喂给狗300ml水。然后让狗无水吞咽含超多孔水凝胶的胶囊。在服用胶囊后在不同的时间间隔拍摄X线照片。

在人工胃液中，超多孔水凝胶的直径是2.4cm，而长是3.5cm。UCP是370cm水压。把三个含BaSO₄的水凝胶小丸加入超多孔水凝胶中作为X射线照相的标记。在研究开始时狗处于饱食状态。维持饱食状态6小时。之后，在胃中就没有发现食物，狗处于禁食状态。

在时间1、30分钟、1小时、2小时、3小时、4小时、5小时、6小时、7小时、8小时、23小时、27小时、和32小时照X线照片。在27小时和32小时拍摄的X线图像分别在图6-A和图6-B中表示。从时间0到27小时，所有三个含BaSO₄的水凝胶标记都可在超多孔水凝胶中看到(标记为1、2和3)。这些标记保留在它们相对的位置，表明超多孔水凝胶保持未变。在32小时(图6-B)拍摄的图像表明标记之一(#1)已经移到小肠中，而另外两个(#2和3)保留在胃中。这就意味着可能由于胃部反复的收缩在时间27小时和32小时之间水凝胶分解。一旦分解开始，由于尺寸减小超多孔水凝胶被认为会迅速排空。

这一实验清楚地表明改善的机械强度能延长胃部滞留时间到27小时多。在这一实验中超多孔水凝胶足够大到保留在胃中，而且机械强度足够高以经受胃收缩力。

VI.其它应用

能够在多种领域使用的超多孔水凝胶和超多孔水凝胶复合物，简述如下。

由于超多孔水凝胶和超多孔水凝胶复合物优良的吸水性，它们在用于改善流血控制的外科pads和个人卫生产品例如一次性尿布和卫生巾方面非常理想。迅速的吸水特性也允许超多孔水凝胶或其复合物取代硅胶应用为干燥剂。目前市售的超多孔水凝胶是粉末形式，这是因为只有小尺寸的微粒凝胶才能迅速溶胀。这就引起在某些应用的限制[Knack，I等，1991]。超多孔水凝胶和超多孔水凝胶复合物技术允许超吸收材料以任何尺寸和任何形状制备。超多孔水凝胶也是容易被制出的，并表现出比现存产品多许多的优异特性，尤其是其溶胀速率。这一优点将大大拓宽超多孔聚合物的应用范围。超多孔水凝胶技术能用来制出大量合成、半合成或天然超多孔水凝胶，这些超多孔水凝胶可以在许多应用替换现存超多孔水凝胶。

在控制的药物传递领域，超多孔水凝胶和超多孔水凝胶复合物可以用作长期口服药物传递的月台。由于迅速溶胀和超溶胀特性，它们能停留在胃中几个小时达24小时多[Chen，J.，1997]。这一长期胃部滞留时间对于长期口服控制药物传递是理想的。

在饮食控制领域，超多孔水凝胶和超多孔水凝胶复合物可能被用来控制想降低他们食量的健康人的食欲。因为能迅速溶胀到非常大的尺寸，超多孔水凝胶和超多孔水凝胶复合物可以在胃中保留较长的时间，从几小时到几天[Shalaby，W.S.W.，1992；Chen，J.，1997]。体积大的超多孔水凝胶和超多孔水凝胶复合物将降低胃中的空间，从而降低食用的食物量。因此，他们能用作肥胖的供选择的治疗方法。

在生物医学领域，它们独特的孔结构提供了如下多种优点，用于制造人造胰腺；人造角膜；人造皮肤；人造软骨；软组织替代品；在组织工程中的细胞生长物质；灼伤外皮；女性乳房的外科增高；或血液去毒和在尿毒症治疗中的充血的设备等。

在生物技术领域，它们的巨大表面积提供制造用于从培养基分离大分子和细胞的材料的优点。极大孔径的存在使得超多孔水凝胶和超多孔水凝胶复合物是色谱载体的理想载体。

低密度的超多孔水凝胶和超多孔水凝胶复合物允许应用为高强度、轻重量结构的材料以及包装材料。它们在能量敏感应用的结构中也是好的绝缘体和填料。

对环境条件的微小改变可以产生突然快的体积改变的水凝胶已知为“智能”或“灵敏”水凝胶[Pack，H.和Pack，K.：“在生物应用中的水凝胶”，出自用于生物应用的水凝胶和生物降解聚合物，Ottenbrite，R，等编，美国化学学会，华盛顿，1996，pp.2-10；Pack，K.和Pack，H.：“灵敏水凝胶”，出自聚合物材料百科全书：合成、特性和应用，Joseph C.Salamone编，CRC preess，Boca Raton，Florida，1996，pp.S200-S206]。灵敏水凝胶响应于在环境条件中的改变，例如温度、pH、溶液、电场、特定分子或离子、光或压力。当这些灵敏水凝胶在多种应用中非常有用时，通常的响应时间通常从几小时到几天，这一慢的响应时间有时限制灵敏水凝胶的有效性。通过制造超多孔灵敏水凝胶，响应时间可以减到几秒或几分钟。

结论

在水凝胶中的平均孔径大小是几百微米。使用在本说明书描述的技术可以很容易地控制孔径的大小。超多孔水凝胶和超多孔水凝胶复合物的优点之一是孔径的控制不取决于交联剂的密度[AD.M.等，1991]。

迄今为止，已经通过改变单体的组成来制出无规共聚物和嵌段共聚物制造了大量的水凝胶。然而，以前没有合成出含亲水、微粒复合物材料作为交联剂的水凝胶。在亲水、微粒复合物材料例如微晶纤维素晶体、交联的羧甲基纤维素钠(Ac-Di-Sol^)、交联的淀粉羟基乙酸钠(Primojel^和Explotab^)、和交联的PVP(Crospovidone^)存在下合成的水凝胶和超多孔水凝胶，具有其它水凝胶不具有的独特的特性。

Ac-Di-Sol^的重要作用之一是在合成时稳定泡沫。我们的研究表明当Ac-Di-Sol^加入时即使很少量的气泡也能保留。Ac-Di-Sol^可以起到增稠剂的作用以防止气泡从溶液逃逸。因此，当使用少量的起泡剂时，Ac-Di-Sol^(或其它增稠剂)可以有助于在超多孔水凝胶中制出相互贯通的管道。

用乙醇(或其它有机溶剂)代替水后超多孔水凝胶的干燥有一些优点。乙醇沉淀聚合物链，从而使聚合物链形成的孔更不易压缩。这就导致甚至在干燥后也维持开放的毛细管道。用乙醇干燥的超多孔水凝胶的溶胀比不用乙醇处理干燥的对照超多孔水凝胶溶胀更快。

尽管乙醇干燥方法产生从干态能迅速溶胀的水凝胶，但是使用乙醇比只用空气干燥成本高。空气干燥的超多孔水凝胶复合物如用乙醇干燥的超多孔水凝胶一样迅速溶胀的能力。空气干燥的超多孔水凝胶复合物是制备迅速溶胀的干水凝胶的一种经济的方法。

润湿干燥的超多孔水凝胶改善毛细管道的润湿性。因此，可以润湿超多孔水凝胶或超多孔水凝胶复合物以提高溶胀特性。这是因为水合的水凝胶是亲水亲油性的，当与亲水表面，例如水接触就变得亲水但当与疏水表面，例如空气接触就变得疏水。

利用水凝胶的亲水亲油性，通过冷冻干燥部分润湿的超多孔水凝胶和它们的复合物就可以制出溶胀迅速的水凝胶和它们的复合物。为了做到这一点，将空气干燥的超多孔水凝胶或它们的复合物在润湿室润湿以吸收大于100％其原重的潮气。因为只吸收了少量潮气，超多孔水凝胶的尺寸和它们的复合物在这一润湿后并不改变许多。

在润湿后，因为在表面的聚合物链改变了定向，使得亲水基团面对表面，超多孔水凝胶或它们的复合物就变得亲水。然后把这些润湿过的超多孔水凝胶和它们的复合物经受冷冻干燥。当干燥时，聚合物链被认为丧失了其可动性，并保持表面亲水。因此，在冷冻干燥后，干燥的超多孔水凝胶或它们的复合物保持高的润湿性并溶胀迅速。这一方法不同于在完全溶胀下的超多孔水凝胶和其复合物的冷冻干燥。在完全溶胀状态下的冷冻干燥需要长的工艺时间和高的能量输入，以移去大量的水。上述方法需要非常短的冷冻干燥时间。

尽管润湿的超多孔水凝胶或其复合物的冷冻干燥降低了干燥需要的时间和能量，但充分溶胀的超多孔水凝胶的冷冻干燥提供了比其它水凝胶更独特的优点。最重要的优点是高的弹性。我们已经发现当充分溶胀的超多孔水凝胶或它们的复合物被冷冻干燥时，产生的干超多孔水凝胶和他们的复合物弹性很好。干燥材料的弹性如此好，以至于冷冻干燥的超多孔水凝胶和它们的复合物可以被拉长、压缩和改变形状而不破裂。在进一步处理干燥材料用于包括控制药物传递和生物技术在内的多种领域，这种高弹性是极重要的。

快速溶胀的速率和大的溶胀尺寸是超多孔水凝胶最显著的特性。两个因素，即润湿性和毛细管道，在影响超多孔水凝胶的溶胀速率方面最重要。任何提高这两个特性的因素都将提高超多孔水凝胶的溶胀速率。

由于在干燥工艺中毛细管道压缩、空气干燥的超多孔水凝胶不具有良好的毛细管道。乙醇干燥可以有效保护毛细管道从而极大地提高溶胀的动力学。Voranol^作为润湿剂可以提高超多孔水凝胶的润湿性，从而增加润湿速率。超多孔水凝胶表面的润湿也可以提高润湿性从而增大溶胀动力学。超崩散剂例如Ac-Di-Sol^和Primojel^能通过保护毛细管道和提高润湿性增大溶胀动力学。

任何能在水溶液中溶胀大于20倍其干重的聚合物材料被称为超吸收聚合物(SAP)。高吸水性和迅速的溶胀动力学是SAP的两个最希望达到的特性。超多孔水凝胶，由于其独特的结构特性，比常规非多孔和大孔水凝胶在水溶液中能吸收更多的水和溶胀更快。因为这一原因，超多孔水凝胶作为超吸收剂非常理想。

在婴儿尿布中使用的现有超吸收剂是通过复杂的工艺制出的，有些还涉及使用有机溶剂[美国专利号5,149,335]。有机溶剂的使用会引起安全和环境的考虑。目前，所有的市售超吸收剂是粉末状的，因为只有小尺寸的微粒凝胶才溶胀迅速。这就引起在某些应用受到限制[Knack，I.等，1991]。超多孔水凝胶技术允许以任何尺寸和任何形状制备超吸收剂。超多孔水凝胶也是容易被制出的，并表现出比现存产品多许多的优异特性，尤其是其溶胀速率。这一优点将大大拓宽超多孔聚合物的应用范围。超多孔水凝胶技术能用来制出大量合成、半合成或天然超多孔水凝胶，这些超多孔水凝胶可以在许多应用替换现存超多孔水凝胶。

超多孔水凝胶的主要缺点是它们不具有高的机械强度。已经普遍观察到孔径在40-50μm的多孔水凝胶强度太差，在受力后不能保持结构的完整，从而不适合用作承重材料[de Groot，J.H.等，1990；Kon，M.等，1981]。在超多孔水凝胶中复合物材料的出现使得它们的机械强度很强。

为了清楚和明了已经参照某些实施例讨论了本发明。然而，应当看到在附加的权利要求书范围内根据本发明的原理可以进行其它明显的修改和改进。

表2用不同工艺处理的聚(丙烯酸-和-丙烯酰胺)超多孔水凝胶和超多孔水凝胶复合物的大小、密度、溶胀比、和溶胀时间样品描述大小：直径干超多孔水溶胀比溶胀时间# ( mm)×厚凝胶的密度

(mm) (g/cm³)1 非多孔水凝胶(对照) 4.8×2.3 1.30±0.08 173±7 720±110

分钟2 合成后在烘箱干燥的 5.8×2.8 0.76±0.05 328±40 31±6

超多孔水凝胶分钟3 在DDW中充分溶 5.8×2.7 0.80±0.06 307±29 51±22

胀，然后经烘箱干燥分钟

的超多孔水凝胶4 合成后用乙醇脱水然 8.0×4.0 0.26±0.02 355±54 4.8±1.5

后经烘箱干燥的超多分钟

孔水凝胶5 在DDW中充分溶 10.7×5.4 0.13±0.02 337±76 4.1±0.3

胀，用乙醇脱水然后分钟

经烘箱干燥的超多孔

水凝胶6 合成后用乙醇(含1％ 8.1×4.0 0.25±0.02 368±34 2.8±0.7

Voranol_240-280 ^)脱水，分钟

然后经烘箱干燥的超

多孔水凝胶7 吸收126±11％(基于 5.9×2.9 0.76±0.05 339±36 7±6

其原重)潮气的样品分钟

#28 吸收81±4％(基于其 8.2×4.1 0.26±0.02 334±10 37±3

原重)潮气的样品#4 秒9 通过向单体溶液中加 6.7×3.3 0.48±0.05 294±44 8.5±6.1

入50mg Ac-Di-Sol^ 分钟

合成，然后经烘箱干

燥的超多孔水凝胶10 通过向单体溶液中加 7.2×3.5 0.39±0.02 192±18 1.2±0.6

入100mg Ac-Di-Sol^ 分钟

合成，然后经烘箱干

燥的超多孔水凝胶11 通过向单体溶液中加 7.5×3.8 0.33±0.04 120±23 35±9秒

入150mg Ac-Di-Sol^

合成，然后经烘箱干

燥的超多孔水凝胶12 通过向单体溶液中加 7.9×4.0 0.28±0.01 91±22 22±4秒

入200mg Ac-Di-Sol^

合成，然后经烘箱干

燥的超多孔水凝胶13 Bis是单体的0.6摩尔 6.8×3.3 0.45±0.04 231±12 13.4±2.1

％(样品#1～12含是分钟

单体的0.9摩尔％的

Bis)。合成后SPH

经烘箱干燥14 Bis是单体的0.9摩尔 7.2×3.6 0.38±0.03 166±26 3.1±2.5

％。合成后SPH经烘分钟

箱干燥

所有的样品基于实施例9制备。

在样品#1中不使用PF127和NaHCO₃。

在样品#9～12中，加入不同量的。

在样品#13～14中，加入不同量的Bis。

在全离子蒸馏水(DDW)中检测溶胀比。溶胀时间是在把超多孔水凝胶或超多孔水凝胶复合物放在DDW中后达到平衡溶胀的时间。为了测定溶胀时间，检测一种盘状超多孔水凝胶或超多孔水凝胶复合物(重50mg到65mg)。

每次测定至少测定三个样品。

表3由聚丙烯酰胺和Ac-Di-Sol纤维或Crospovidone XL制备的水凝胶复合物聚丙烯酰胺-Ac-Di-Sol复合物样品 Ac-Di-Sol： AM Ac-Di-Sol在干水凝溶胀比抗压模量E_c

(W∶W) 胶中的重量％ (Kg/cm²)1 0∶100 0 19.0 0.252 11∶100 10 15.3 0.283 25∶100 20 13.6 0.384 43∶100 30 11.1 0.535 67∶100 40 9.5 0.926 100∶100 50 8.0 1.17聚丙烯酰胺-Crospovidone XL复合物样品 Crospovidone Crospovidone XL在溶胀比抗压模量E_c

XL∶AM(W∶W)干水凝胶中的重量％ (Kg/cm²)7 0∶100 0 19.0 0.258 11∶100 10 14.9 0.259 25∶100 20 12.3 0.2510 43∶100 30 9.5 0.331 1 67∶100 40 7.7 0.4812 100∶100 50 5.9 0.6413 150∶100 60 4.3 1.07

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Claims

1.一种水凝胶复合物，其特征在于包含一种聚合物的互相贯通的网络，该聚合物由至少一种不饱和烯单体和多烯交联剂聚合形成，所述聚合物与崩散剂的微粒交联。

2.根据权利要求1所述的水凝胶复合物，其特征在于交联剂与单体的比率在0.01∶100到10∶100的范围内。

3.根据权利要求1所述的水凝胶复合物，其特征在于崩散剂与聚合物的比率在1∶100到100∶100的范围内。

4.根据权利要求1所述的水凝胶复合物，其特征在于至少一种不饱和烯单体选自下组：(甲基)丙烯酸、(甲基)丙烯酸的盐类、(甲基)丙烯酸的酯类、(甲基)丙烯酸的酯类的盐类和酸类、(甲基)丙烯酸的酰胺类、(甲基)丙烯酸N-烷基酰胺类、(甲基)丙烯酸N-烷基酰胺类的盐类和酸类、N-乙烯基吡咯烷酮、丙烯酰胺、丙烯酰胺衍生物、甲基丙烯酰胺、甲基丙烯酰胺衍生物和它们的混合物。

5.根据权利要求1所述的水凝胶复合物，其特征在于至少一种不饱和烯单体选自：丙烯酰胺(AM)、N-异丙基丙烯酰胺(NIPAM)、甲基丙烯酸2-羟基乙酯(HEMA)、甲基丙烯酸2-羟基丙酯(HPMA)、N-乙烯基吡咯烷酮(VP)、丙烯酸(AA)、2-丙烯酰胺-2-甲基-1-丙磺酸(AMPS)、丙烯酸3-磺丙酯、钾盐(SPAK)、2-(烯丙酰氧)乙基三甲基铵甲基硫酸盐(ATMS)，其无机盐，以及其混合物。

6.根据权利要求1所述的水凝胶复合物，其特征在于交联剂选自下组：(N，N-亚甲基-双丙烯酰胺)、二(甲基)丙烯酸乙二醇酯、哌嗪二丙烯酰胺、戊二醛、表氯醇和含1，2二醇结构的交联剂、含官能肽的交联剂和含蛋白质的交联剂。

7.根据权利要求1所述的水凝胶复合物，其特征在于崩散剂微粒选自下组：交联的天然聚电解质、交联的合成聚电解质、交联的中性、亲水聚合物、具有颗粒形状的所述聚电解质和聚合物的非交联形式，和通过毛细管力提供灯芯作用的多孔无机材料。

8.根据权利要求1所述的水凝胶复合物，其特征崩散剂微粒选自下组：交联的羧甲基纤维素钠、交联的淀粉甘醇酯钠、交联的羧甲基淀粉钠、交联的硫酸葡聚糖酯、交联的脱乙酰壳多糖、交联的透明质酸、交联的海藻酸钠、交联的果胶酯酸、交联的脱氧核糖核酸、交联的核糖核酸、交联的明胶、交联的白蛋白、聚丙烯醛钾、甘氨酸碳酸钠、交联的聚(丙烯酸)、交联的聚(苯乙烯磺酸盐)、交联的聚(天冬氨酸)、交联的聚赖氨酸、交联的聚乙烯吡咯烷酮、交联的超支链淀粉、交联的聚乙二醇、交联的中性纤维素衍生物、微晶纤维素、粉末纤维素、纤维素纤维和交联的淀粉。

9.根据权利要求1所述的水凝胶复合物，其特征在于溶胀比在2到1,000的范围内。

10.根据权利要求1所述的水凝胶复合物，其特征在于抗压模量在0.01到5kg/cm²的范围内。

11.根据权利要求1所述的水凝胶复合物，其特征在于对一个大小为0.01cm³或更大的样品，溶胀时间在10秒到10小时的范围内。

12.一种超多孔水凝胶复合物，其特征在于包含一种聚合物的互相贯通的网络，该聚合物由至少一种不饱和烯单体和多烯交联剂聚合形成，所述聚合物与崩散剂的微粒交联，并具有超多孔结构。

13.根据权利要求12所述的超多孔水凝胶复合物，其特征在于交联剂与单体的比率在0.01∶100到10∶100的范围内。

14.根据权利要求12所述的超多孔水凝胶复合物，其特征在于崩散剂与聚合物的比率在1∶100到100∶100的范围内。

15.根据权利要求12所述的超多孔水凝胶复合物，其特征在于至少一种不饱和烯单体选自下组：(甲基)丙烯酸、(甲基)丙烯酸的盐类、(甲基)丙烯酸的酯类、(甲基)丙烯酸的酯类的盐类和酸类、(甲基)丙烯酸的酰胺类、(甲基)丙烯酸N-烷基酰胺类、(甲基)丙烯酸N-烷基酰胺类的盐类和酸类、N-乙烯基吡咯烷酮、丙烯酰胺、丙烯酰胺衍生物、甲基丙烯酰胺、甲基丙烯酰胺衍生物和它们的混合物。

16.根据权利要求12所述的超多孔水凝胶复合物，其特征在于至少一种不饱和烯单体选自下组：丙烯酰胺(AM)、N-异丙基丙烯酰胺(NIPAM)、甲基丙烯酸2-羟基乙酯(HEMA)、甲基丙烯酸2-羟基丙酯(HPMA)、N-乙烯基吡咯烷酮(VP)、丙烯酸(AA)、2-丙烯酰胺-2-甲基-1-丙磺酸(AMPS)、丙烯酸3-磺丙酯、钾盐(SPAK)、2-(烯丙酰氧)乙基三甲基铵甲基硫酸盐(ATMS)，其无机盐，以及其混合物。

17.根据权利要求12所述的超多孔水凝胶复合物，其特征在于交联剂选自下组：(N，N-亚甲基-双丙烯酰胺)、二(甲基)丙烯酸乙二醇酯、哌嗪二丙烯酰胺、戊二醛、表氯醇和含1，2二醇结构的交联剂、含官能肽的交联剂和含蛋白质的交联剂。

18.根据权利要求12所述的超多孔水凝胶复合物，其特征崩散剂微粒选自下组：交联的天然聚电解质、交联的合成聚电解质、交联的中性、亲水聚合物、具有颗粒形状的所述聚电解质和聚合物的非交联形式，和通过毛细管力提供灯芯作用的多孔无机材料。

19.根据权利要求12所述的水凝胶复合物，其特征在于崩散剂微粒选自下组：交联的羧甲基纤维素钠、交联的淀粉甘醇酯钠、交联的羧甲基淀粉钠、交联的脱乙酰壳多糖、交联的硫酸葡聚糖酯、交联的透明质酸、交联的海藻酸钠、交联的果胶酯酸、交联的脱氧核糖核酸、交联的核糖核酸、交联的明胶、交联的白蛋白、聚丙烯醛钾、甘氨酸碳酸钠、交联的聚(丙烯酸)、交联的聚(苯乙烯磺酸盐)、交联的聚(天冬氨酸)、交联的聚赖氨酸、交联的聚乙烯吡咯烷酮、交联的超支链淀粉、交联的聚乙二醇、交联的中性纤维素衍生物、微晶纤维素、粉末纤维素、纤维素纤维和交联的淀粉。

20.根据权利要求12所述的超多孔水凝胶复合物，其特征在于溶胀比在5到5,000的范围内。

21.根据权利要求12所述的超多孔水凝胶复合物，其特征在于对一个大小为0.01cm³或更大的样品，溶胀时间在1秒到1小时的范围内。

22.一种超多孔水凝胶复合物，其特征在于其制备工艺包括：

把至少一种不饱和烯单体、一种多烯交联剂、一种崩散剂微粒，和一种起泡剂合并形成其混合物；和

所述混合物经受聚合作用和起泡条件，在其中不饱和烯单体、多烯交联剂、崩散剂交联形成所述超多孔水凝胶复合物。

23.根据权利要求22所述的超多孔水凝胶复合物，其特征在于其平均孔径在10μm到3,000μm的范围内。

24.根据权利要求22所述的超多孔水凝胶复合物，其特征在于其平均孔径在50μm到1,000μm的范围内。

25.根据权利要求22所述的超多孔水凝胶复合物，其特征在于其平均孔径在100μm到600μm的范围内。

26.根据权利要求22所述的超多孔水凝胶复合物，其特征在于交联剂与单体的比率在0.01∶100到10∶100的范围内。

27.根据权利要求22所述的超多孔水凝胶复合物，其特征在于崩散剂与聚合物的比率在1∶100到100∶100的范围内。

28.根据权利要求22所述的超多孔水凝胶复合物，其特征在于至少一种不饱和烯单体选自下组：(甲基)丙烯酸、(甲基)丙烯酸的盐类、(甲基)丙烯酸的酯类、(甲基)丙烯酸的酯类的盐类和酸类、(甲基)丙烯酸的酰胺类、(甲基)丙烯酸N-烷基酰胺类、(甲基)丙烯酸N-烷基酰胺类的盐类和酸类、N-乙烯基吡咯烷酮、丙烯酰胺、丙烯酰胺衍生物、甲基丙烯酰胺、甲基丙烯酰胺衍生物和它们的混合物。

29.根据权利要求22所述的超多孔水凝胶复合物，其特征在于至少一种不饱和烯单体选自下组：丙烯酰胺(AM)、N-异丙基丙烯酰胺(NIPAM)、甲基丙烯酸2-羟基乙酯(HEMA)、甲基丙烯酸2-羟基丙酯(HPMA)、N-乙烯基吡咯烷酮(VP)、丙烯酸(AA)、2-丙烯酰胺-2-甲基-1-丙磺酸(AMPS)、丙烯酸3-磺丙酯、钾盐(SPAK)、2-(烯丙酰氧)乙基三甲基铵甲基硫酸盐(ATMS)，其无机盐，以及其混合物。

30.根据权利要求22所述的超多孔水凝胶复合物，其特征在于从下组选出交联剂：(N，N-亚甲基-双丙烯酰胺)、二(甲基)丙烯酸乙二醇酯、哌嗪二丙烯酰胺、戊二醛、表氯醇和含1，2二醇结构的交联剂、含官能肽的交联剂和含蛋白质的交联剂。

31.根据权利要求22所述的超多孔水凝胶复合物，其特征在于崩散剂微粒选自下组：交联的天然聚电解质、交联的合成聚电解质、交联的中性、亲水聚合物、具有颗粒形状的所述聚电解质和聚合物的非交联形式，和通过毛细管力提供灯芯作用的多孔无机材料。

32.根据权利要求22所述的超多孔水凝胶复合物，其特征在于崩散剂微粒选自下组：交联的羧甲基纤维素钠、交联的淀粉甘醇酯钠、交联的羧甲基淀粉钠、交联的脱乙酰壳多糖、交联的硫酸葡聚糖酯、交联的透明质酸、交联的海藻酸钠、交联的果胶酯酸、交联的脱氧核糖核酸、交联的核糖核酸、交联的明胶、交联的白蛋白、聚丙烯醛钾、甘氨酸碳酸钠、交联的聚(丙烯酸)、交联的聚(苯乙烯磺酸盐)、交联的聚(天冬氨酸)、交联的聚赖氨酸、交联的聚乙烯吡咯烷酮、交联的超支链淀粉、交联的聚乙二醇、交联的中性纤维素衍生物、微晶纤维素、粉末纤维素、纤维素纤维和交联的淀粉。

33.根据权利要求22所述的超多孔水凝胶复合物，其特征在于起泡剂是NaHCO₃、Na₂CO₃或CaCO₃从外源导入的气泡。

34.根据权利要求22所述的超多孔水凝胶复合物，其特征在于溶胀比在5到5,000的范围内。

35.根据权利要求22所述的超多孔水凝胶复合物，其特征在于溶胀时间在1秒到1小时的范围内。

36.一种通过干燥根据权利要求22所述的超多孔水凝胶复合物制备的超多孔水凝胶复合物，其特征在于通过空气干燥或用有机溶剂替换复合物中的水，然后再空气干燥。

37.根据权利要求36所述的超多孔水凝胶复合物，其特征在于在干燥后表现出压缩、延展和折叠而不破裂的弹性特性。

38.一种通过干燥根据权利要求22所述的超多孔水凝胶复合物制备的超多孔水凝胶复合物，其特征在于在水溶液中部分溶胀或平衡溶胀后进行冷冻干燥。

39.根据权利要求38所述的超多孔水凝胶复合物，其特征在于在干燥时表现出压缩、延展和折叠而不破裂的弹性特性。

40.一种形成水凝胶复合物的方法，其特征在于包括：

把至少一种不饱和烯单体、一种多烯交联剂、和一种崩散剂微粒合并形成其混合物；和

所述混合物经受聚合条件形成所述水凝胶复合物。

41.根据权利要求40所述的方法，其特征在于所述的至少一种不饱和烯单体选自下组：(甲基)丙烯酸、(甲基)丙烯酸的盐类、(甲基)丙烯酸的酯类、(甲基)丙烯酸的酯类的盐类和酸类、(甲基)丙烯酸的酰胺类、(甲基)丙烯酸N-烷基酰胺类、(甲基)丙烯酸N-烷基酰胺类的盐类和酸类、N-乙烯基吡咯烷酮、丙烯酰胺、丙烯酰胺衍生物、甲基丙烯酰胺、甲基丙烯酰胺衍生物和它们的混合物。

42.根据权利要求40所述的方法，其特征在于交联剂选自下组：(N，N-亚甲基-双丙烯酰胺)、二(甲基)丙烯酸乙二醇酯、哌嗪二丙烯酰胺、戊二醛、表氯醇和含1，2二醇结构的交联剂、含官能肽的交联剂和含蛋白质的交联剂。

43.根据权利要求40所述的方法，其特征在于崩散剂微粒选自下组：交联的天然聚电解质、交联的合成聚电解质、交联的中性、亲水聚合物、具有颗粒形状的所述聚电解质和聚合物的非交联形式，和通过毛细管力提供灯芯作用的多孔无机材料。

44.根据权利要求40所述的方法，其特征在于崩散剂微粒选自下组：交联的羧甲基纤维素钠、交联的淀粉甘醇酯钠、交联的羧甲基淀粉钠、交联的脱乙酰壳多糖、交联的硫酸葡聚糖酯、交联的透明质酸、交联的海藻酸钠、交联的果胶酯酸、交联的脱氧核糖核酸、交联的核糖核酸、交联的明胶、交联的白蛋白、聚丙烯醛钾、甘氨酸碳酸钠、交联的聚(丙烯酸)、交联的聚(苯乙烯磺酸盐)、交联的聚(天冬氨酸)、交联的聚赖氨酸、交联的聚乙烯吡咯烷酮、交联的超支链淀粉、交联的聚乙二醇、交联的中性纤维素衍生物、微晶纤维素、粉末纤维素、纤维素纤维和交联的淀粉。

45.根据权利要求40所述的方法，其特征在于在把所述混合物经受所述聚合条件之前还将水与混合物合并在一起。

46.根据权利要求40所述的方法，其特征在于在把所述混合物经受所述聚合条件之前还将一种聚合引发剂与混合物合并在一起。

47.一种形成超多孔水凝胶复合物的方法，其特征在于包括：

48.根据权利要求47所述的方法，其特征在于在合并起泡剂之前将所述至少一种不饱和烯单体、一种多烯交联剂、一种崩散剂微粒合并在一起。

49.根据权利要求47所述的方法，其特征在于至少一种不饱和烯单体选自下组：(甲基)丙烯酸、(甲基)丙烯酸的盐类、(甲基)丙烯酸的酯类、(甲基)丙烯酸的酯类的盐类和酸类、(甲基)丙烯酸的酰胺类、(甲基)丙烯酸N-烷基酰胺类、(甲基)丙烯酸N-烷基酰胺类的盐类和酸类、N-乙烯基吡咯烷酮、丙烯酰胺、丙烯酰胺衍生物、甲基丙烯酰胺、甲基丙烯酰胺衍生物和它们的混合物。

50.根据权利要求47所述的方法，其特征在于从下组选出交联剂：(N，N-亚甲基-双丙烯酰胺)、二(甲基)丙烯酸乙二醇酯、哌嗪二丙烯酰胺、戊二醛、表氯醇和含1，2二醇结构的交联剂、含官能肽的交联剂和含蛋白质的交联剂。

51.根据权利要求47所述的方法，其特征在于从下组选出崩散剂微粒：交联的天然聚电解质、交联的合成聚电解质、交联的中性、亲水聚合物、具有颗粒形状的所述聚电解质和聚合物的非交联形式，和通过毛细管力提供灯芯作用的多孔无机材料。

52.根据权利要求47所述的方法，其特征在于从下组选出崩散剂微粒：交联的羧甲基纤维素钠、交联的淀粉甘醇酯钠、交联的羧甲基淀粉钠、交联的脱乙酰壳多糖、交联的硫酸葡聚糖酯、交联的透明质酸、交联的海藻酸钠、交联的果胶酯酸、交联的脱氧核糖核酸、交联的核糖核酸、交联的明胶、交联的白蛋白、聚丙烯醛钾、甘氨酸碳酸钠、交联的聚(丙烯酸)、交联的聚(苯乙烯磺酸盐)、交联的聚(天冬氨酸)、交联的聚赖氨酸、交联的聚乙烯吡咯烷酮、交联的超支链淀粉、交联的聚乙二醇、交联的中性纤维素衍生物、微晶纤维素、粉末纤维素、纤维素纤维和交联的淀粉。

53.根据权利要求47所述的方法，其特征在于在经受所述聚合作用和起泡条件之前还将水与混合物合并在一起。

54.根据权利要求47所述的方法，其特征在于在经受所述聚合作用和起泡条件之前还将一种泡沫稳定剂与混合物合并在一起。

55.根据权利要求47所述的方法，其特征在于在经受所述聚合作用和起泡条件之前还将一种聚合引发剂与混合物合并在一起。