一次性尿布和隐形眼镜有什么共同点？
设想在三四十年前有这样一位年轻的朋友，他初为人父，家中有一个只有几个月大的宝宝。同时他酷爱运动，但又不巧高度近视。那么每天有两件事让他很是心烦。首先，家里永远有洗不完的尿布。其次，每次做运动时，戴眼镜吧，厚重的玻璃镜片实在是不方便，摘了眼镜呢，又担心视力不佳的自己连对方传过来的球在哪里都看不清楚。
但到了现在，他大可不必为这两件事苦恼。宝宝可以穿上舒适的一次性尿布，洗尿布成为了历史。同时，他也可以戴上隐形眼镜，在运动场上也更加轻松自如。
为什么要将一次性尿布和隐形眼镜这两种看上去风马牛不相及的物品相提并论呢？因为它们都得益于一类特殊的高分子材料—水凝胶。水凝胶和热固性塑料和橡胶一样，都是交联的杰作。
一、从溶液到水凝胶
把一勺蔗糖加到水中并稍加搅拌，蔗糖很快就消失不见了，而原本没有味道的水也有了甘甜的味道。这是我们非常熟悉的过程—溶解。蔗糖分子和水分子彼此间具有一定的亲和性，前者能够分散到后者当中，形成蔗糖的水溶液。在这里，水也称为溶剂，而蔗糖则被称为溶质。
热塑性塑料等未经交联的高分子化合物的分子虽然庞大，但遇到合适的溶剂时也可以溶解在其中。由于结构相似，大多数高分子材料能够溶解于有机溶剂。例如，放入丙酮中的泡沫塑料很快就会消失不见，就是因为泡沫塑料的主要成分聚苯乙烯能够溶解在丙酮中。也有一些高分子化合物，如聚丙烯酸钠，以及前面提到的聚乙烯醇，由于结构特殊，对有机溶剂“不感兴趣”，反倒像蔗糖一样可以溶解在水中，它们被称为水溶性高分子。
但如果把聚丙烯酸钠先交联起来再投入水中，就会惊奇地发现，逐渐消失的不再是聚丙烯酸钠，而是杯中的水—经过一段时间后，杯中的水完全不见，只剩下一大块像果冻一样软软的固体。如果把杯子倒过来，不仅不会有水流下来，整块固体都会牢牢贴在杯子底部。为什么会发生这种现象呢？
溶解是指一种物质（溶质）均匀地分散在另一种物质（溶剂）中形成溶液的过程，而交联之后所有的聚丙烯酸钠分子都被连在一起，它们自然不可能再溶解到水中。那怎么办呢？在一个经过交联的聚合物网络中，交联点之间的分子链条总是处于蜷缩的状态。如果将这些分子链条拉伸，聚合物网络内部就会增加不少空间，水就可以趁机占据这些空间。
虽然聚合物分子本身被拉伸后会变得不稳定，但拉伸之后它和水分子的接触会更加亲密。因此，把经过交联的聚丙烯酸钠投入水中后，会看到聚丙烯酸钠逐渐膨胀。最终得到的固体只有很少一部分是原先的聚丙烯酸钠，其余的都是被聚合物网络吸收的水。这样的材料，我们称之为水凝胶。前面我们提到的用聚乙烯醇和硼砂做的“史莱姆”，实际上也可以视为一种水凝胶。
那么水凝胶能够吸收多少水呢？这取决于一系列的因素。交联前的聚合物水溶性越好，水凝胶自然能吸收更多的水。同时，交联的程度也是影响水凝胶吸水能力的一个重要因素。如果交联程度较高，交联点之间的分子链条能够被拉伸的程度就有限，这样水凝胶就很难吸收较多的水。
不过总的来说，水凝胶吸水能力是相当可观的，例如用于一次性尿布的聚丙烯酸钠可以吸收高达自身重量倍的纯水！因此它和其他一些经过交联的水溶性高分子有一个响亮的名字—高吸水性高分子。不过如果将纯水换成尿液，尿液中的阳离子会阻碍聚丙烯酸钠分子在水中的膨胀，使得它的吸水能力大打折扣。
在这种情况下，聚丙烯酸钠只能吸收自身重量30～60倍的尿液，但即便如此，这样的吸水能力也很不错了。要知道在聚丙烯酸钠等高吸水性高分子被应用于尿布之前，无论是可重复使用的尿布还是一次性尿布都是使用棉花、纸巾、木浆等传统的吸水材料，它们的吸水主要是通过将水分保持在材料的孔隙中实现的，最多只能吸收20倍于自身重量的水分。要想吸收较多的水，尿布通常要相当厚重，婴儿穿着起来很不方便，而且进入孔隙中的尿液仍然可以流出来。相反，使用了高吸水性高分子的一次性尿布不仅更加轻薄，而且被尿布吸收的水分会被牢牢地保持在水凝胶中，从而可以让婴儿的皮肤较长时间地保持干爽。
通过上面的介绍，大家是否已经感受到了水凝胶这种材料的独特魅力了？接下来让我们了解一下水凝胶是如何在隐形眼镜的发展历程中发挥作用的。
二、拿什么拯救你，隐形眼镜
隐形眼镜的问世虽然只是最近几十年的事，但实际上它的历史可以追溯到几百年前。早在16世纪初，达·芬奇就提出：当人的眼球与水直接接触时，进入人眼的光路会发生变化。这被普遍认为是最早的隐形眼镜的构想。多年后，大科学家笛卡儿也提出可以将充满液体的玻璃弯管直接与眼球接触，从而达到矫正视力的效果。不过这些设想远远超出了当时的科技水平，因此并未付诸实践。
到了19世纪末，有人尝试用玻璃制作隐形眼镜。这样的隐形眼镜虽然能在一定程度上起到矫正视力的作用，但镜片过于厚重，会让佩戴者感到极其不舒服，甚至有可能损伤眼睛，因此很难获得推广。
直到各种性能优异的合成高分子材料出现以后，隐形眼镜才迎来了真正的发展契机。在20世纪三四十年代，第一种用高分子材料制成的隐形眼镜被成功地制造出来，使用的是前文中提到的聚甲基丙烯酸甲酯。聚甲基丙烯酸甲酯透光性堪比玻璃，密度却大约只有玻璃的一半，而且也不像玻璃那样易碎，看上去真的是非常适合用于制作隐形眼镜。
然而如果你真的戴上了聚甲基丙烯酸甲酯做的隐形眼镜，就会意识到它有多么糟糕。聚甲基丙烯酸甲酯虽然比玻璃轻便许多，但它同样很硬，使用者戴上它之后仍然会感觉不舒服。当然，经过一段时间的佩戴后，人眼适应了隐形眼镜镜片的存在，不舒服的感觉或许会逐渐消除，但聚甲基丙烯酸甲酯另一个致命的弱点却无法用时间来解决，那就是透气性太差。
我们的眼球无法从血液中得到足够的氧气，所以需要保持与空气的直接接触。如果眼球由于隐形眼镜的阻挡而不能得到足够的氧气，就有可能产生一系列问题，从而影响眼球的正常生理功能。因此透气性成为衡量隐形眼镜性能的一个重要指标。然而聚甲基丙烯酸甲酯的分子排列非常紧密，像一堵墙一样，空气很难透过。佩戴这种隐形眼镜时，氧气只能通过镜片边缘的缝隙与眼球接触，因此用聚甲基丙烯酸甲酯制造的隐形眼镜不适合长时间佩戴。如果这个问题不解决，隐形眼镜或许就只能停留在纸面上了。
幸运的是，就像橡胶工业的发展遇到了古德伊尔，隐形眼镜的发展也在最关键的时期遇到了一位“救星”，那就是被誉为软性隐形眼镜之父的捷克化学家奥托·威特勒（OttoWichterle）。
三、威特勒与软性隐形眼镜的诞生
威特勒年10月27日出生于捷克（当时还是奥匈帝国的一部分）的普罗斯捷约夫（Prostejov）。年，他在布拉格化学技术学院（InstituteofChemicalTechnologyinPrague）获得化学博士学位并留校任教。到了年，威特勒已经满足了任职副教授的要求，就职报告也已经准备好了。
然而就在这一年，纳粹德国入侵捷克。在纳粹德国占领捷克期间，所有的捷克的大学都被迫关闭，威特勒的学术生涯也因此中断。幸运的是，威特勒在当时世界上最大制鞋企业巴塔鞋业谋得了一份工作，从事合成高分子方面的研究并取得了一系列重要成果。第二次世界大战结束后，威特勒重新回到高校任教。也就是在这一时期，他开始思考如何开发出更好的隐形眼镜镜片材料。
威特勒想到，水凝胶或许可以解决隐形眼镜制造所面临的困境。首先，水凝胶由于含有大量的水，自然要比聚甲基丙烯酸甲酯这样的塑料柔软得多，而且水凝胶的软硬程度还可以通过改变水的含量来调节，因此可以满足不同用户的需求。其次，由于大量水的存在，氧气可以通过水凝胶中的水到达眼球，因此隐形眼镜的透气性也可以得到提高。如果这种水凝胶的透光性不成问题，那简直就是用于隐形眼镜镜片的完美选择。顺着这个思路，威特勒开始了他的研究。
威特勒和他的合作者选择了另一种水溶性高分子—聚甲基丙烯酸羟乙酯，并很快试制出用这种材料的水凝胶作为镜片的隐形眼镜。
正如他预料的，这种隐形眼镜不仅保持了良好的透光性，而且佩戴时的舒适度也显著提高。因此，威特勒非常期待它能够取代聚甲基丙烯酸甲酯。
然而一个新的问题很快摆在威特勒的面前，那就是如何生产这种新型隐形眼镜。聚甲基丙烯酸甲酯非常坚硬，因此用它生产隐形眼镜时，只需要先得到一根聚甲基丙烯酸甲酯的圆柱，再把它切削成需要的形状就好了。而这种方法对于柔软的水凝胶就不适用了。威特勒首先尝试将单体、交联剂、水等原料一起注入一个封闭的模具中，然后对整个模具加热使得其中的材料发生聚合反应得到高分子。然而用这种方法得到的镜片边缘不够平整，显然不适合佩戴。
被这个问题困扰了很久的威特勒终于在喝咖啡时找到了灵感。他发现，当把糖加入咖啡中时，杯中的咖啡在搅拌下形成了非常平滑的曲面。因此他推想，如果用开放式模具代替之前的封闭式模具，当马达带动模具时，模具中的液体也可以形成完美的曲面。如果在旋转模具的同时让模具的温度逐渐升高，促使聚合反应发生，随着水凝胶的形成，这个曲面就会被固定下来。在这个过程中，镜片外侧的曲率半径由模具形状所决定，而内侧的曲率半径则可以通过调节模具转速来改变，因此我们可以非常方便地生产出不同形状的镜片。这种被称为旋涂的方法至今仍然被用于隐形眼镜的生产。
威特勒随后准备将他的想法付诸实践，然而捷克*府部门却中断了相关的资助。不甘心就此放弃的威特勒干脆将实验室搬到了家中。
年圣诞节，利用从儿童玩具、留声机等家庭用品上拆下的零件搭建的简陋设备，威特勒和夫人成功利用旋涂方法生产出一批隐形眼镜。年，博士伦公司成功通过美国食品药品管理局（FDA）的审批将这种新型隐形眼镜投入市场，很快获得巨大的成功。由于使用聚甲基丙烯酸羟乙酯水凝胶作为镜片材料的隐形眼镜更加柔软，它们被称为软性隐形眼镜，而之前坚硬的聚甲基丙烯酸甲酯隐形眼镜就被对应地称为硬性隐形眼镜。软性隐形眼镜由于佩戴起来更加舒适，很快就取代了硬性隐形眼镜而风靡全球。
不过威特勒开发的水凝胶透气性仍然不够好，近些年来，研究人员又开发出一种名为硅水凝胶的镜片材料。这种材料将传统的水凝胶与具有高度透气性的硅橡胶结合起来，由它制成的软性隐形眼镜佩戴起来更舒服。
与古德伊尔类似，威特勒用自己的发明变革了一个行业，但他本人并没有因此获利。在没有告知威特勒本人，更没有和他商量的情况下，捷克*府就将软性隐形眼镜的专利所有权出售，威特勒从中仅仅获得了美元的回报。不过专心于学术研究的威特勒并没有对此有任何抱怨。虽然没有从软性隐形眼镜中得到太多的财富，威特勒却收到另外一种形式的“大礼”—年，第号小行星以他的名字命名。
四、水凝胶带来更加健康的生活
毋庸置疑，威特勒对隐形眼镜的发展做出了里程碑式的贡献，不过他的眼光并没有停留于此。威特勒敏锐地意识到，水凝胶柔软且含有大量的水，而这也是生物体内诸多组织器官的特点。因此，水凝胶具有良好的生物相容性，在与生物组织相接触时，对后者的刺激要远远小于常规的合成高分子材料，因此在生物医学领域会有重要的用途。
年1月，威特勒和合作者将他们的研究工作以《用于生物用途的亲水性凝胶》为题发表在顶级学术刊物《自然》上。这篇论文篇幅虽然不长，却有着深远的意义。从此，水凝胶在生物医学领域的潜在价值开始被人们所重视。从这个角度来说，威特勒堪称水凝胶的“伯乐”和“贵人”。
那么水凝胶在医学方面有哪些用途呢？我们在生活中难免遇到点磕磕碰碰，皮肤上出现伤口。为了给伤口提供一个良好的愈合环境，防止感染的发生，我们经常会用纱布、绷带、创可贴等敷料将伤口表面覆盖。这些材料虽然能够很好地保护伤口，但也存在一个很大的弊端，那就是容易和创伤部位粘连在一起。在给伤口换药时，我们常常需要设法将敷料与伤口分开，这不仅会导致换药过程需要较长时间才能完成，更会带来额外的疼痛，尤其是像烧伤这样的较为严重的创伤，换药过程是相当痛苦的。
为了解决这个问题，近些年来科学家们尝试用特殊的水凝胶作为烧伤伤口的敷料。这种水凝胶的特殊之处在于它的交联是通过可逆反应来实现的。当需要更换敷料时，只需要提供相应的条件破坏交联结构，水凝胶固体就会变成普通的溶液，清理起来很方便，不必担心由于敷料与创伤组织粘连而给患者造成额外的痛苦。
除了受伤，生病也是我们一生中难以避免的，而生病通常就意味着要打针吃药。我们服用药物时，许多时候都是希望它只治疗特定的组织器官的病症，而对其他组织器官没有影响。但是经过口服或者注射而进入体内的药物不会老老实实待在某个器官周围，而是随着循环系统“满世界游荡”。
在“周游”人体的过程中，相当一部分药物分子还没有来得及对目标器官发挥作用就被代谢掉排出体外。而且当药物与其他组织器官接触时，还可能产生不必要的副作用。当然了，在通常情况下，这些并不是太大的问题。为了早日战胜病魔恢复健康，每日按时服药并不是什么难事，头晕眼花之类轻微的副作用也可以忍受。但在另外一些情况下，如药物非常宝贵，或者副作用太严重，我们就必须设法提高药物释放的精确程度和效率。这个时候，水凝胶又派上用场了。
如果需要服用的药物能够溶于水，可以在制备水凝胶的时候把药物也一同加入水中。当水凝胶形成后，这些物质也会随着水一起进入水凝胶被包裹起来。接下来让这块水凝胶与体液接触，由于体液中不含有这些药物，因此水凝胶内外就出现了一个药物浓度差。这个浓度差会促使一部分药物从水凝胶中逐渐跑出来，以达到在水凝胶内外的浓度相同。这样一来，药物就可以缓慢地从水凝胶中释放出来，更加持久地发挥作用。如果这时把水凝胶放到需要治疗的组织器官附近，那么药物从水凝胶中释放出来就还可以直接到目标组织器官内发挥作用，不仅提高了药物的效率，而且有可能降低药物的副作用。这就是水凝胶在医学领域的另一重要应用—可控药物释放。
很多科学家还进一步设想，水凝胶或许可以被用来修复受损的组织器官，用于需要与人体接触的医疗设备，甚至可以用于制作机器人。当前所使用的金属、陶瓷、塑料等材料都过于坚硬，即便它们本身不含有对生物体有害的化学物质，当它们与组织器官相接触时，仍然会让我们的身体感觉不舒服。如果用柔软的水凝胶取而代之，这个问题就可以迎刃而解了。
更为有趣的是，前不久研究人员还利用水凝胶开发出含有活细菌的可穿戴设备。这些细菌当然不是普通的致病菌，而是经过基因工程改造的对人体无害的细菌，它们能够在环境中存在特定化合物时发出荧光，因而可以作为很有价值的检测手段。但问题在于，要想让这些特殊的细菌正常工作，就必须源源不断地为它们提供养料，这就导致它们在实际应用中颇受限制—我们总不能拿着含有细菌的培养皿来到处检测吧？但有了水凝胶，问题就迎刃而解了。我们可以将细菌所需要的养分包裹在水凝胶中，再用水凝胶和透气的橡胶把细菌封装起来。有了空气、水和营养物质，细菌的生存就不受影响了。带上这样的装置，我们就有可能根据细菌发出的荧光判断环境中是否存在有害物质。
毫无疑问，这些研究为水凝胶所展示的前景是相当美好的，如果能够付诸实践，势必能更好地保障我们的健康生活。不过，更好的“工作机会”往往也意味着更高的门槛，因此需要对水凝胶的性能作不同程度的改造，这就到了考验科学家们创造力的时候了，比如，如果用于医疗设备，目前的水凝胶的机械强度还不够高，有什么办法让它们更坚韧一些呢？
