60年前水凝膠誕生,如今改善無數人的生活!

2020庚子開年讓我們印象深刻,有災難,更有堅守與感動。60年前1960庚子年同樣也是值得紀念的一年,那一年,水凝膠橫空出世,為高分子在生物領域的應用奠定瞭堅實的基礎。

生活早已離不開塑料!隨著科技發展,人們很自然地考慮瞭塑料與組織永久接觸的可能性。一項文獻研究表明,幾乎所有已知的塑料制品都曾在不同時期被用於這一目的。但是傳統塑料與活體組織的相容性太差,這些堅硬的固體會引起局部機械刺激,並且部分低分子刺激性物質會長期緩慢向組織擴散,甚至導致腫瘤生長;再者,生物機體產生的代謝物難以滲透這些高分子材料,會對正常生理活動產生影響。因此科學傢們必須從這些角度對每一種塑料進行評估。聚乙烯醇雖不存在這些問題,但它的主要缺點在於容易被人體吸收,因此也不適用。

Otto Wichterle

1960年,在考慮瞭上述影響後,捷克斯洛伐克科學院的Otto Wichterle提出,生物相容性良好的高分子材料必須滿足以下幾個要求:

(1)制備的高分子必須含有一定量的水分;

(2)對正常生物過程的惰性(包括對聚合物的降解和對有機物不利的反應的抗性);

(3)對代謝物的通透性。因此具有這些性質的材料必須具有親水基團,此外,他們必須有一個三維結構,至少有足夠的交聯,以防止吸收。

第一例水凝膠橫空出世

具有明顯聚電解質特性的親水材料(帶有堿基或羧基)對生物體有不利影響,由於膨脹過度,其化學穩定性甚至不如乙二醇酯。在嘗試瞭大量的高分子後,Otto WichterleDrahoslav Lim發現含有0.1%的乙二甲基丙烯酸酯的甲基丙烯酸羥乙酯共聚體最為合適的。即使在非常苛刻的條件下,它們也很難水解,並且具有生物惰性。此外,它們的機械性能含水量可調,以滿足耐高溫滅菌無破損等要求。

作者首先以甲基丙烯酸羥乙酯為單體,乙二甲基丙烯酸酯為交聯劑制備瞭史上第一例水凝膠。當含水量大於凝膠的平衡容量時,水相液滴凝聚成相互連接的孔道,形成多孔網絡結構。這些孔的大小取決於聚合條件。幹燥樣品是一種透明的固體材料,浸泡在水中後該高分子網絡能夠像海綿一樣牢牢鎖住水分子,保證材料含水量,呈現出原來的形狀和結構。

該文以“Hydrophilic Gels for Biological Use”為題,於1960年1月9日發表在Nature上,占瞭一頁版面都不到,卻讓後世生活發生瞭翻天覆地的變化。

敏銳嗅到隱形眼鏡的商機

原本聚甲基丙烯酸甲酯因其優異的透光性和輕便的特點成為隱形眼鏡的首選材料,但是它過硬,並且切斷瞭眼睛直接從空氣獲取氧氣的途徑,使佩戴者產生不舒適感且不利於眼睛健康。Wichterle敏銳意識到,這種水凝膠材料不僅柔軟,而且能夠讓氧氣透過,同時有著優異的透光性能,是更為合適的制作隱形眼鏡的材料。但新問題隨之而來:生產效率過低。經過不斷嘗試後,Wichterle終於找到旋塗的方法,用於高效生產隱形眼鏡。在一周時間內,他就和妻子加工出幾百隻隱形眼鏡鏡片。

1971年,博士倫公司成功通過FDA審批,將隱形眼鏡投放市場,取得瞭巨大成功。並且隱形眼鏡經過不斷的發展和工藝改良,佩戴者的不舒適感越來越低。現如今,世界上有超過1億人佩戴隱形眼鏡。

為瞭表彰他在高分子領域做出的傑出貢獻,1993年,第3899號小行星以他的名字命名。在他的百年誕辰,捷克特意發行瞭紀念郵票和紀念幣。

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