概述
水凝胶是一类具有三维网络结构的聚合物，在水中能够吸收大量水分而溶胀，并在溶胀之后能够继续保持其原有结构而不被溶解。水凝胶这个词最早出现于1960年，当时是由捷克的Wicherle和Lim研制的聚强乙基丙烯酸甲酯。它本身是硬的高聚物，但它吸收水分后就变成具有弹性的凝胶，故称水凝胶。凡是水溶性或亲水性的高分子，通过一定的化学交联或物理交联，都可以形成水凝胶，日常生活中的果冻、隐形眼镜等，都属于水凝胶制品。
研究历史
美国约翰·霍普金斯大学医学院报告称，他们开发出一种新型水凝胶生物材料，在软骨修复手术中将其注入骨骼小洞，能帮助刺激病人骨髓产生干细胞，长出新的软骨。在临床试验中，新生软骨覆盖率达到86%，术后疼痛也大大减轻。论文发表在2013年1月9日出版的《科学·转化医学》上。
加拿大最新的研究显示，水凝胶（Hydrogel）不仅有利于干细胞（Stemcell）移植，也可加速眼睛与神经损伤的修复。研究团队指出，像果冻般的水凝胶是干细胞移植的理想介质，可以帮助干细胞在体内存活，修复损伤组织。
中国科学院兰州化学物理所研究员周峰课题组利用分子工程，设计制备出一种具有双交联网络的超高强度水凝胶，大大提高了水凝胶的机械性能。相关研究已发表于《先进材料》。
人工合成的水凝胶通常存在凝胶强度低、韧性差和吸水速度慢等缺点，无法满足使用的要求。研究者针对提高水凝胶的力学性能开展了大量的研究工作，开发了几类具有优异机械性能的新型凝胶，如拓扑型水凝胶、双网络结构水凝胶、复合水凝胶、大分子微球复合水凝胶和均一链结构水凝胶等，其中复合水凝胶，由于具有高强度、复合手段多样化而受到广泛关注。
性质分类
水凝胶有各种分类方法，根据水凝胶网络键合的不同，可分为物理凝胶和化学凝胶。物理凝胶是通过物理作用力如静电作用、氢键、链的缠绕等形成的，这种凝胶是非永久性的，通过加热凝胶可转变为溶液，所以也被称为假凝胶或热可逆凝胶。许多天然高分子在常温下呈稳定的凝胶态，如k2型角叉菜胶、琼脂等；在合成聚合物中，聚乙烯醇（PVA）是一典型的例子，经过冰冻融化处理，可得到在60℃以下稳定的水凝胶。化学凝胶是由化学键交联形成的三维网络聚合物，是永久性的，又称为真凝胶。
根据水凝胶大小形状的不同，有宏观凝胶与微观凝胶（微球）之分，根据形状的不同宏观凝胶又可分为柱状、多孔海绵状、纤维状、膜状、球状等，目前制备的微球有微米级及纳米级之分。
根据水凝胶对外界刺激的响应情况可分为传统的水凝胶和环境敏感的水凝胶两大类。传统的水凝胶对环境的变化如温度或pH等的变化不敏感，而环境敏感的水凝胶是指自身能感知外界环境（如温度、pH、光、电、压力等）微小的变化或刺激，并能产生相应的物理结构和化学性质变化甚至突变的一类高分子凝胶。此类凝胶的突出特点是在对环境的响应过程中其溶胀行为有显著的变化，利用这种刺激响应特性可将其用做传感器、控释开关等，这是1985年以来研究者最感兴趣的课题之一。
根据合成材料的不同，水凝胶又分为合成高分子水凝胶和天然高分子水凝胶。天然高分子由于具有更好的生物相容性、对环境的敏感性以及丰富的来源、低廉的价格，因而正在引起越来越多学者的重视。但是天然高分子材料稳定性较差，易降解。
应用领域
作为一种高吸水高保水材料，水凝胶被广泛用于多种领域，如：干旱地区的抗旱，农用薄膜、建筑中的结露防止剂、调湿剂、石油化工中的堵水调剂，原油或成品油的脱水，在矿业中的抑尘剂，食品中的保鲜剂、增稠剂，医疗中的药物载体等等。值得注意的是，不同的应用领域应该选用不同的高分子原料，以满足不同的需求。
日用品
水凝胶作为一种高吸水性材料，广泛地应用于妇女卫生巾、尿布、生理卫生用品、香料载体以及纸巾等方面，用量不大，价格能为消费者接受，目前用在该领域的材料主要是交联的聚丙烯酸盐及淀粉2丙烯酸接枝聚合物。
工业用品
水凝胶可用于油水分离、废水处理、空气过滤、电线包裹材料、防静电、密封材料、蓄冷剂、溶剂脱水、金属离子浓集、包装材料等诸多方面。比如，用做包装材料，当运输和贮存可能会受潮和本身可能会溢流的货物时，可用含高吸水性水凝胶的复合材料包装，以保证货物安全。高吸水性凝胶与无纺布和薄膜组合，可加工成不同结构吸液衬里材料，用以包装肉类食品，使商品能保持清洁外观，取食时包装袋中不存液体。
农业土建
水凝胶材料可用在农用薄膜、农业园艺用保水材料、污泥固化、泥水添加剂、墙壁顶棚材料等方面。绿化沙漠是高吸水性水凝胶材料极有潜力的用途之一，可通过制成保水剂的方式实施。以高吸水性凝胶为主要成分，加入粘土和水制成保水剂，再和农用的土掺在一起就可很好保存土壤中的水分，埃及正在推进一项利用该技术绿化沙漠的宏大工程。
生物医学
烧伤涂敷物：水凝胶材料直接用于与人体组织接触，可防止体外微生物的感染，抑制体液的损失，传输氧到伤口，一般说来能促进伤口的愈合。在中欧，注册商标为HDR或AQUA2GEL的水凝胶烧伤涂敷物，销售前景看好，这种产品是通过辐射法制备的。这种涂敷物也可制成喷雾液、乳液或膏状，一些消炎药物也可包埋其中，透过凝胶缓慢地释到受伤部位，加速伤口的愈合。
药物传输体系：当水凝胶被移植或注射到生物体后，水凝胶能够维持或向体液控制释放包埋在水凝胶中的药物，一般说来，有两种类型的控制释放，一种是像凝胶涂敷物一样释放小分子，另一种情况是含有药物的聚合物基材逐渐分解，在这种情况下，药物扩散进入周围环境，由材料的生物降解速率控制。有时水凝胶作为胶束装载药物，药物释放的速率由通过调整交联度和水凝胶的化学组成实现，特别是智能型水凝胶问世以来，水凝胶在该领域的应用研究更为深入。
补齿材料：有一些两组分或多组分的补齿材料含有HEMA或其他亲水型聚合物，这些材料被放在颚槽或牙根部的孔内聚合或交联，在大多数情况下，这些反应由UV引发。Dybek等通过辐射手段将PVA和明胶交联制备了补齿材料。
移植：PVA是第一个被广泛使用在移植方面的水凝胶。水凝胶已被用做移植乳房、鼻子、面部、缺唇修补、替代耳鼓膜等方面。水凝胶用做人工软骨、腱以及主动脉接枝不久将被商业化。
隐型眼镜：隐型眼镜以PHEMA为基材，加入PVP、PVA、PMAAc、壳聚糖等，用以提高PHEMA的力学性能和增大氧的渗透，由辐射法制备的隐型眼镜已经在中国上市。此外，当前治疗白内障用的眼晶（JOL）是由PMMA或PVA制成的。
生物分子、细胞的固定化：水凝胶固定化的生物分子和细胞在分析、医学诊断等方面有着广泛的应用。生物分子和细胞可以固定在水凝胶小球的表面或其内部，然后装填柱子，这样的柱子可以用于分离混合物中的特殊生物分子。生物传感器是表面固定了生物分子或细胞的电化学传感器，生物分子一般固定在与生物传感器物理元件相连的水凝胶表面或其内部。
研究前景
人造软骨
2012年9月，美国研究人员开发出了高弹性和高韧性的水凝胶，将来有望用于制作人造软骨等医疗设备。这种高弹性和高韧性的水凝胶，其成分是藻朊酸盐和聚丙烯酰胺。这两种物质单独形成的水凝胶弹性都不大，但如果把它们按一定比例混合起来再加入水，会得到一种新型水凝胶。这种水凝胶中约90%是水，但其弹性超强，可以拉伸到原有长度的20倍以上而不断，之后还能够自行恢复原状。它的韧性也很好，把一块这样的水凝胶掰断，需要耗费的能量与掰断一块天然橡胶差不多。可以用来制造人造椎间盘，它的性能足以承受脊椎活动时的拉伸和挤压。
节能建筑
瑞士的研究者利用一种新型水凝胶，发明出一种同样能“出汗”的屋顶。通过它来给房屋降温的话，房屋的耗能最多可以减少60%。研究者设计出了一种三明治式的屋顶覆盖层：表面是薄薄的聚碳酸酯膜，中间夹着一层水凝胶，底下再铺一层聚氯乙烯薄层。在灿烂的阳光下，新型温敏性水凝胶中储存的水分会不断蒸发，让屋顶温度一直维持在35摄氏度。
