年产300千克增强明胶水凝胶圆柱支架的3D打印生产车间
1.1水凝胶的概况
高分子凝胶[18~19202122]是指由高分子链以共价键、次价键（氢键）、或链段相互交叉、缠结交联而成的三维网状结构，吸收溶剂（如水）后仍保持一定的形状且不溶的一种材料。根据高分子凝胶溶剂的不同，可以分为三类：高分子水凝胶、高分子油性凝胶以及气性凝胶。
水凝胶是指通过物理交联或化学交联形成的具有亲水性的三维网络结构，其主链中主要含有亲水性基团、疏水性基团。由于水凝胶中含有亲水性基团，所以将水凝胶放在水溶液中，其可吸收超越自身重量好几倍的水而溶胀，但结构却可保持完整而不发生变化。
根据不同的分类方法，可将水凝胶分为很多种类。例如[17]，根据制备水凝胶的原料不同，可以分为天然高分子水凝胶（纤维素、壳聚糖等）、合成高分子水凝胶（聚丙烯酰胺水凝胶、环丙基丙烯酰胺水凝胶等）和天然-合成高分子水凝胶（胶原蛋白接枝聚丙烯酸酯等），其相关结构见图1。又如，按照水凝胶网络键合的方式可分为物理凝胶、化学凝胶和物理化学水凝胶。或按照水凝胶对外界刺激的不同相应情况，可将水凝胶分为传统水凝胶和环境敏感型水凝胶。而对环境敏感的水凝胶又可以进一步细分为对温度敏感的水凝胶、对电场敏感的水凝胶、对pH变化敏感的水凝胶以及对光照敏感的水凝胶等。
1.2水凝胶的应用
由于水凝胶具有吸水和保水的优异特性，故水凝胶可广泛应用于农业、食品、化学工程以及日常生活的各个方面。对水凝胶进行改性，如在水凝胶主链上引入不同种类的功能基团或者加入其它材料进行复合和重新组装，可制备得到具有不同功能的高分子水凝胶，从而应用于药物释放载体、抗旱保水、文物修缮以及驱动器等方面。
1.2.1药物释放载体
药物释放载体是指将药物定向运送至靶向器官的一种体系，可以通过改变药物的分布范围和进入人体的方式得以实现。将具有生物相容性和生物可降解性的水凝胶（如PVA水凝胶）作为药物载体，直接做成胶囊状将小分子药物包埋其中或者以结合键的形式与小分子药物相连。利用这种方式制备的药物载体，增加了药物作用的时间，从而减小了药物作用时间，可以减轻药物对人体的副作用，有显著的疗效。
Iman Gholamali[8]将羧甲基纤维素、淀粉和纳米氧化锌进行复合，然后与氯化铁进行物理交联，成功制备出用于抗癌药物阿霉素（DOX）的控释的潜在候选物纳米复合水凝胶微球。通过对其进行表征与评估可知，该纳米复合水凝胶微球的药物释放量和溶胀取决于羧甲基纤维素含量、酸碱度和纳米氧化锌含量。并且含羧甲基纤维素/淀粉微球的氧化锌纳米颗粒的药物释放时间延长，控制性增强，且随着氧化锌纳米颗粒含量的增加而增加。
Bo Zhang[9]利用物理交联的方法制备了羟丙基beta;-环糊精（HPCD）对黄原胶水（XG）凝胶，并对其进行了改性处理。通过流变实验可知，HPCD会影响水凝胶体系的动力学特征，且由于超分子间相互作用力(主要为氢键作用)的增强，该水凝胶熔点也显著提高。且由于XG螺旋的定向自聚集，该水凝胶呈纹理状。当XG/HPCD的质量比为4:3时，该水凝胶具有优异的弹性网络，为无定形状，药物传递能力大大增强。
1.2.2抗旱保水
利用可以在短时间内吸收远超于自身重量的水并且缓慢释放的特性而制备的抗旱保水水凝胶被广泛应用于农业方面。该水凝胶成本低、环境友好且可反复使用，有效解决了农业缺水等方面的问题，在农业水土保持方面具有巨大的应用前景。Chuanjie Liu[6]利用交联方法制备了硼砂-胡芦巴半乳甘露聚糖-硼砂水凝胶（FGB），该水凝胶的膨胀系数和保水时间较长。Rajender Singh Beniwal [7]研究发现不管水凝胶的存在与否，灌溉良好的植物的根约有75%被总苞藓定殖，未接种的植物显示出边缘总苞壳外生菌根（EM）定殖（3%）。水凝胶改良土壤中的EM杨在干旱胁迫下保持最高的黎明前水势，表现出最低的生物量损失，并保持几乎完全的光合活性，而没有水凝胶的土壤中的非EM植物在这些条件下表现出严重的叶片损失，并且没有表现出净CO 2同化。故EM和水凝胶，尤其是将两者结合使用，有助于避免干旱胁迫，提高植物的综合性能，适用于在边缘干旱地带建立种植园。
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