60年前水凝胶诞生,如今改善无数人的生活!

2020庚子开年让我们印象深刻,有灾难,更有坚守与感动。60年前1960庚子年同样也是值得纪念的一年,那一年,水凝胶横空出世,为高分子在生物领域的应用奠定了坚实的基础。

生活早已离不开塑料!随着科技发展,人们很自然地考虑了塑料与组织永久接触的可能性。一项文献研究表明,几乎所有已知的塑料制品都曾在不同时期被用于这一目的。但是传统塑料与活体组织的相容性太差,这些坚硬的固体会引起局部机械刺激,并且部分低分子刺激性物质会长期缓慢向组织扩散,甚至导致肿瘤生长;再者,生物机体产生的代谢物难以渗透这些高分子材料,会对正常生理活动产生影响。因此科学家们必须从这些角度对每一种塑料进行评估。聚乙烯醇虽不存在这些问题,但它的主要缺点在于容易被人体吸收,因此也不适用。

0年前水凝胶诞生,如今改善无数人的生活!"
Otto Wichterle

1960年,在考虑了上述影响后,捷克斯洛伐克科学院的Otto Wichterle提出,生物相容性良好的高分子材料必须满足以下几个要求:

(1)制备的高分子必须含有一定量的水分;

(2)对正常生物过程的惰性(包括对聚合物的降解和对有机物不利的反应的抗性);

(3)对代谢物的通透性。因此具有这些性质的材料必须具有亲水基团,此外,他们必须有一个三维结构,至少有足够的交联,以防止吸收。

第一例水凝胶横空出世

具有明显聚电解质特性的亲水材料(带有碱基或羧基)对生物体有不利影响,由于膨胀过度,其化学稳定性甚至不如乙二醇酯。在尝试了大量的高分子后,Otto Wichterle和Drahoslav Lim发现含有0.1%的乙二甲基丙烯酸酯的甲基丙烯酸羟乙酯共聚体最为合适的。即使在非常苛刻的条件下,它们也很难水解,并且具有生物惰性。此外,它们的机械性能含水量可调,以满足耐高温灭菌无破损等要求。

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作者首先以甲基丙烯酸羟乙酯为单体,乙二甲基丙烯酸酯为交联剂制备了史上第一例水凝胶。当含水量大于凝胶的平衡容量时,水相液滴凝聚成相互连接的孔道,形成多孔网络结构。这些孔的大小取决于聚合条件。干燥样品是一种透明的固体材料,浸泡在水中后该高分子网络能够像海绵一样牢牢锁住水分子,保证材料含水量,呈现出原来的形状和结构。

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该文以“Hydrophilic Gels for Biological Use”为题,于1960年1月9日发表在Nature上,占了一页版面都不到,却让后世生活发生了翻天覆地的变化。

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敏锐嗅到隐形眼镜的商机

原本聚甲基丙烯酸甲酯因其优异的透光性和轻便的特点成为隐形眼镜的首选材料,但是它过硬,并且切断了眼睛直接从空气获取氧气的途径,使佩戴者产生不舒适感且不利于眼睛健康。Wichterle敏锐意识到,这种水凝胶材料不仅柔软,而且能够让氧气透过,同时有着优异的透光性能,是更为合适的制作隐形眼镜的材料。但新问题随之而来:生产效率过低。经过不断尝试后,Wichterle终于找到旋涂的方法,用于高效生产隐形眼镜。在一周时间内,他就和妻子加工出几百只隐形眼镜镜片。

1971年,博士伦公司成功通过FDA审批,将隐形眼镜投放市场,取得了巨大成功。并且隐形眼镜经过不断的发展和工艺改良,佩戴者的不舒适感越来越低。现如今,世界上有超过1亿人佩戴隐形眼镜。

为了表彰他在高分子领域做出的杰出贡献,1993年,第3899号小行星以他的名字命名。在他的百年诞辰,捷克特意发行了纪念邮票和纪念币。

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