基于隱形眼鏡探究水凝膠的研究現狀與應用場景

蔡明明

摘 要：隱形眼鏡在我們生活中非常常見，它的主要材質就是水凝膠。本文首先回顧了隱形眼鏡的發展，并對隱形眼鏡的材質進行了簡單介紹。接著又對水凝膠進行了簡單介紹，最后對水凝膠的應用場景進行了說明。

關鍵詞：隱形眼鏡;水凝膠;應用場景

中圖分類號：R318.08 文獻標識碼：A 文章編號：1671-2064（2019）04-0253-02

0 引言

隨著電子信息時代的發展，各類電子設備進入到千家萬戶，手機、筆記本電腦、臺式機、電視機、pad等各類電子設備代替90年代之前的各類書本玩具，成為現代人手中的消遣娛樂之物。錯誤的用眼方式使得近視眼問題已經成為全國最流行的病，而且從近些年的研究數據來看，患病率呈上升趨勢并向低齡化發展。有一項針對年齡在15～18周歲的中學生眼睛狀態的調查，調查結果顯示這些中學生中已經被診斷為近視的人數占總人數的66.51%，其中，被診斷為近視眼時的最小年齡為5歲，最大年齡為17歲，被診斷為近視眼的平均年齡為13～14歲之間，近視眼高發期在12～15歲之間。近視眼的發生使得眼鏡成為生活中的必需品，但佩戴隱形眼鏡影響外在整體美感，隨著人類技術的逐步發展，輕薄、有美感的隱形眼鏡問世。

如今，隱形眼鏡是很多時尚愛美人士的必備品，品類繁多的隱形眼鏡不但幫助近視眼的人重獲清晰的視界，也為人們提供了更加個性化的裝飾。我們知道，隱形眼鏡的常用材質是水凝膠，接下來將一起從隱形眼鏡出發，探討水凝膠的更多應用。

1 隱形眼鏡

1.1 隱形眼鏡的發展

別小看這一枚小小的隱形眼鏡，它的發展史可是有500多年。隱形眼鏡的學名叫做角膜接觸鏡，它的起源要追溯到500年前的1508年，一天，意大利科學家達·芬奇透過裝滿水的玻璃缸中向外望時，發現原來模糊的世界變得清晰了，雖然當時他并沒有意識到這能夠矯正視力，但是這個偶然的發現可以說是隱形眼鏡的開端了。受到這個發現的啟示，人們開始了一系列的嘗試，有人嘗試將裝滿水的軟管附著在人的眼睛上，也有人提議將裝滿水的軟管隱藏在眼皮底下，但都因為無法應用到實際中使得所有設想都停留在紙面上。

1845年，英國的赫爾奇嘗試在玻璃和眼睛中間填充動物膠質，發現這一操作能夠實現短暫的視力恢復。之后，隨著有機玻璃的發明，第一幅全塑料隱形眼鏡終于問世。緊接著，通過科研人員的不斷探索，終于在1950年前后，形狀類似今天隱形眼鏡的硬性隱形眼鏡被發明出來，這種隱形眼鏡可以佩戴一整天。至此隱形眼鏡的設計、制造、應用等各方面迎來了前所未有的長足發展。雖然有機玻璃材質的隱形眼鏡光學特性良好，還能起到矯正散光的作用，但是因為這種材質不透氧，佩戴過程中會造成角膜缺氧水腫，對眼睛的傷害非常大，所以隱形眼鏡的革新仍在繼續進行。經過十年的研究，時間到了1960年，科學家終于發明出了水凝膠材料，制作出了軟性隱形眼鏡，用這種材料制作的隱形眼鏡透氧性非常高，佩戴起來舒適，所以這種材質的隱形眼鏡逐漸被人們接收并沿用至今。軟性隱形眼鏡在使用的過程中也發現了一些缺點，比如容易吸附沉淀物、保養復雜、容易破損等，于是科學家又繼續探索新的材料，終于在1976年利用CAB材料制作出來的半硬性隱形眼鏡問世，如今隱形眼鏡的材料逐漸增多，如氟聚合物、硅、氟硅丙烯酸酯等材料。

1.2 隱形眼鏡的材質

隨著材料技術的不斷進步，隱形眼鏡的制作材質也在不斷變革，如今市面上常見的隱形眼鏡材料為水凝膠和硅水凝膠兩種。兩種材質各有特點，水凝膠材料使用歷史比較久，它的主要優點是鏡片柔軟、負有彈性，同時濕潤度很高。在我們佩戴的過程中，初期幾乎感覺不到鏡片的存在。只是水凝膠材質制作的隱形眼鏡透氧率相對偏低，佩戴時間長了會感覺眼睛發干，有些不透氣的感覺。所以如果用戶在購買隱形眼鏡時，要注意購買的隱形眼鏡對于鎖水功能的說明，只有水分不易流失的隱形眼鏡才對眼睛的傷害更小。而硅水凝膠的主要特點就是透氧性能非常好，佩戴的過程中蛋白質的沉積比較少，佩戴時間長也不會出現缺水的情況，隨著佩戴時間的增長也不會出現強烈的異物感。同時，由于硅水凝膠中加入了“硅”的成分，所以相對水凝膠材質會更加硬，佩戴時更加容易操作。

2 水凝膠簡介

水凝膠自從被發明以來就開始為人類服務，被不斷地應用在各行各業，由于其能夠在水中溶脹并保持大量水分卻又不溶解的特性，在生物化學、醫學方面的應用更為廣泛，接下來一起來認識一下水凝膠。

2.1 水凝膠發展史

從化學角度來講，水凝膠是一種適度交聯的親水性高分子，它能夠在水中發生溶脹現象，但是卻不會溶解，自上個世紀40年代至今，水凝膠的眾多物理性質逐漸被發現，水凝膠也開始被廣泛應用在各類場景中。在水凝膠領域最早做出貢獻的是P.J.Flory教授，是他率先從熱力學角度提出了凝膠彈性理論，為后期水凝膠的發展奠定了堅實的基礎。隨著水凝膠被應用到隱形眼鏡中，更多水凝膠的應用嘗試取得成功。2013年，美國約翰·霍普金斯大學醫學院開發出一種新型水凝膠生物材料，這種材料能夠對軟骨修復手術中為患者的康復提供幫助。手術中將這種材料注入到骨骼的小洞中，水凝膠就會刺激骨髓生長干細胞，最后長出軟骨，新生軟骨的覆蓋率高達86%。同時，在關節潤滑和減少發炎的相關技術中，這種材料也能起到重要作用。不但在生物醫學技術，在工業、農業、制造業，水凝膠及其衍生品都在不斷地被應用起來，呈現多元化的發展趨勢。

2.2 水凝膠研究現狀

根據近些年《先進材料》的消息顯示，水凝膠材料在的應用范圍不斷擴展，近些年，水凝膠所具備的優良性能也在不斷引起人們的興趣，促使科研人員不斷深入研究，從市場反應來看，目前高分子水凝膠材料是研究熱點，主要研究的方向可分為環境敏感性高分子水凝膠材料方向，超強吸水高分子水凝膠材料的吸液速率方向以及耐鹽性和凝膠強度方向。諸如pH敏感性水凝膠、溫敏性水凝膠、光敏性水凝膠以及電場敏感性水凝膠都是熱門研究。

2.3 水凝膠分類

水凝膠材料是一種新型熱門材料，有良好的發展潛力。如今水凝膠被放置各行各業，分類也有不同，按照不同的方式會有不同的分法。如果按照網絡鍵合來區分，可以分為物理凝膠和化學凝膠，物理凝膠通常是通過物理作用力的纏繞形成的，持久性不高。而化學凝膠則是通過化學鍵形成的三位網格聚合物，是永久性的材料。如果通過大小形狀來區分，則分為宏觀凝膠和微觀凝膠兩種。如果按照外界刺激來區分，水凝膠可以被分為傳統水凝膠和環境敏感凝膠兩大類。傳統凝膠對環境的敏感程度較低，如溫度、電、pH、光等刺激。而環境敏感凝膠則對這些外在環境因素比較敏感。如果按照合成材料區分，水凝膠材料也可以被分為合成高分子水凝膠和天然高分子水凝膠。相比合成高分子水凝膠，天然高分子具有更優良的品質，比如較好的生物相容性、環境敏感性，同時來源比較豐富，價格也相對低廉，但天然高分子的穩定性比較差很容易發生降解。

3 水凝膠的應用場景

水凝膠具有三維網格結構，是一種新型功能高分子材料，具有含水量高、溶脹快、質地柔軟、較好的粘稠性以及良好的生物相容性等特點，因此被廣泛應用在各個領域，接下來將討論水凝膠的部分應用場景。

3.1 水凝膠在生物醫學中的應用

在醫學領域，水凝膠因其眾多的生物特點所以在生物醫學領域的應用非常廣泛，比如水凝膠的三維網格結構類似于生命組織材料，但是表面黏附蛋白質能力及黏附細胞的能力都比較差，可是血液、體液及人體組織的相容性又很好，可以說水凝膠比其他任何材料都接近人體組織。隱形眼鏡的使用是水凝膠在生物醫學中比較典型又比較常見的應用之一，水凝膠在上個世紀50年代就被發明出來了，從發明被應用在隱形眼鏡中開始，一直是主流材料。當然，水凝膠材料一直在不斷改進，使得水凝膠材料的隱形眼鏡水潤且柔軟，佩戴起來非常舒服。加入了“硅”成分的水凝膠，在原水凝膠的優質特點之外，還增加了透氧性，質地也變得比較硬一點，佩戴時比較方便，佩戴時間也更長，甚至可以連續佩戴。另外，因其能很好地與人體組織相融，所以在藥物載體中也得到廣泛的應用。藥物在應用到人體中時需要關注三個問題，分別是藥物存儲、藥物釋放速度的控制以及藥物的釋放，這三種要求水凝膠都能滿足，同時水凝膠能夠遮蔽藥物的氣味和苦味，所以在口服藥、鼻腔、口腔、直腸、眼部等各類給藥途徑中都能被廣泛應用。還有創面包覆幫助傷口愈合、隆胸等組織填充、醫療傳感器、被應用在子宮角、腸粘膜等防粘連材料以及活細胞中封入水凝膠等各種應用場景。

3.2 水凝膠在智能紡織品中的應用

經過前文分析我們知道，水凝膠的內在組織是三維網格結構，網格中間還會填充不同的氣體或液體，所以加了水的凝膠會被稱為水凝膠，水凝膠可以看作是一個彭潤體，這種舒適的材料也被廣泛應用在紡織品中。因其特殊的材質，水凝膠在一定的刺激條件下會產生可逆的體積變化，這種現象被應用在紡織品中形成智能紡織品，智能紡織品能夠對外界環境的變化產生響應，能實現自動調節、反饋、自我修復等功能。智能防水透濕紡織品就能及時響應外界環境刺激，當受到刺激之后，它的體積會因為吸收了水分體積逐漸增大，但是脫水后體積又會逐漸縮小。這種材質與纖維包覆在一起后制作成衣服，這種衣服遇水能迅速吸收水分，使得材料空隙迅速填滿，不至讓人淋濕，在干燥狀態下又會形成足夠的縫隙，使得人體產生的汗氣得以釋放出去。還有一種智能抗菌的紡織品更加神奇。制作這種功能紡織品時，需要在濕潤狀態的凝膠纖維浸泡在抗菌防臭劑中，然后將抗菌防臭溶液封入凝膠內部，待成品穿在人體上時，抗菌防臭溶液會逐漸釋放出來，能夠殺死多余的細菌又能保證皮膚維持正常數量的細菌。

3.3 水凝膠在農業中的應用

有一種專門用作抗旱保水的水凝膠被廣泛應用在農業中，這種類型的水凝膠能夠在很短的時間內吸收比自己重量高上千倍的水分，同時吸收后還能緩慢持續地釋放出來，并且可以反復使用，可以說保水抗旱的性能非常好。目前歐美國家、日本、以色列等國家已經開始大面積推廣使用這種材料，實踐證明這種材料保水效果非常好，在很大程度上幫助人們解決了缺水的問題。常見的抗旱保水水凝膠使用方式是用作土壤保水劑，能夠減少灌溉、有效節約水資源;還有被用作農膜防霧劑，提高農作物的透光率;還有的被直接涂覆在種子的表面，大大提高了種子的發芽率。直接噴在作物表面，還能夠幫助作物吸收農藥、化肥，提高藥效。

4 結語

隱形眼鏡被廣泛應用在我們的日常生活中，其主要原材料水凝膠也通過各類不同的變形滲透到我們生活中的方方面面，在生物醫學方面的應用為醫學的治療手段更加精細;在紡織品方面的應用讓我們的日常用品變得更加有趣、多用;在農業中的應用讓農作物長勢更好。相信，隨著材料技術的不斷提高，水凝膠材料的應用也將更加廣泛，期待水凝膠為我們帶來更多有意思的生活用品。

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