一次性尿布和隱形眼鏡有什麼共同點？
設想在三四十年前有這樣一位年輕的朋友，他初為人父，家中有一個只有幾個月大的寶寶。同時他酷愛運動，但又不巧高度近視。那麼每天有兩件事讓他很是心煩。首先，家裡永遠有洗不完的尿布。其次，每次做運動時，戴眼鏡吧，厚重的玻璃鏡片實在是不方便，摘了眼鏡呢，又擔心視力不佳的自己連對方傳過來的球在哪裡都看不清楚。
但到了現在，他大可不必為這兩件事苦惱。寶寶可以穿上舒適的一次性尿布，洗尿布成為了歷史。同時，他也可以戴上隱形眼鏡，在運動場上也更加輕鬆自如。
為什麼要將一次性尿布和隱形眼鏡這兩種看上去風馬牛不相及的物品相提並論呢？因為它們都得益於一類特殊的高分子材料—水凝膠。水凝膠和熱固性塑料和橡膠一樣，都是交聯的傑作。
一、從溶液到水凝膠
把一勺蔗糖加到水中並稍加攪拌，蔗糖很快就消失不見了，而原本沒有味道的水也有了甘甜的味道。這是我們非常熟悉的過程—溶解。蔗糖分子和水分子彼此間具有一定的親和性，前者能夠分散到後者當中，形成蔗糖的水溶液。在這裡，水也稱為溶劑，而蔗糖則被稱為溶質。
熱塑性塑料等未經交聯的高分子化合物的分子雖然龐大，但遇到合適的溶劑時也可以溶解在其中。由於結構相似，大多數高分子材料能夠溶解於有機溶劑。例如，放入丙酮中的泡沫塑料很快就會消失不見，就是因為泡沫塑料的主要成分聚苯乙烯能夠溶解在丙酮中。也有一些高分子化合物，如聚丙烯酸鈉，以及前面提到的聚乙烯醇，由於結構特殊，對有機溶劑「不感興趣」，反倒像蔗糖一樣可以溶解在水中，它們被稱為水溶性高分子。
但如果把聚丙烯酸鈉先交聯起來再投入水中，就會驚奇地發現，逐漸消失的不再是聚丙烯酸鈉，而是杯中的水—經過一段時間後，杯中的水完全不見，只剩下一大塊像果凍一樣軟軟的固體。如果把杯子倒過來，不僅不會有水流下來，整塊固體都會牢牢貼在杯子底部。為什麼會發生這種現象呢？
溶解是指一種物質（溶質）均勻地分散在另一種物質（溶劑）中形成溶液的過程，而交聯之後所有的聚丙烯酸鈉分子都被連在一起，它們自然不可能再溶解到水中。那怎麼辦呢？在一個經過交聯的聚合物網絡中，交聯點之間的分子鏈條總是處於蜷縮的狀態。如果將這些分子鏈條拉伸，聚合物網絡內部就會增加不少空間，水就可以趁機佔據這些空間。
雖然聚合物分子本身被拉伸後會變得不穩定，但拉伸之後它和水分子的接觸會更加親密。因此，把經過交聯的聚丙烯酸鈉投入水中後，會看到聚丙烯酸鈉逐漸膨脹。最終得到的固體只有很少一部分是原先的聚丙烯酸鈉，其餘的都是被聚合物網絡吸收的水。這樣的材料，我們稱之為水凝膠。前面我們提到的用聚乙烯醇和硼砂做的「史萊姆」，實際上也可以視為一種水凝膠。
那麼水凝膠能夠吸收多少水呢？這取決於一系列的因素。交聯前的聚合物水溶性越好，水凝膠自然能吸收更多的水。同時，交聯的程度也是影響水凝膠吸水能力的一個重要因素。如果交聯程度較高，交聯點之間的分子鏈條能夠被拉伸的程度就有限，這樣水凝膠就很難吸收較多的水。
不過總的來說，水凝膠吸水能力是相當可觀的，例如用於一次性尿布的聚丙烯酸鈉可以吸收高達自身重量800倍的純水！因此它和其他一些經過交聯的水溶性高分子有一個響亮的名字—高吸水性高分子。不過如果將純水換成尿液，尿液中的陽離子會阻礙聚丙烯酸鈉分子在水中的膨脹，使得它的吸水能力大打折扣。
在這種情況下，聚丙烯酸鈉只能吸收自身重量30～60倍的尿液，但即便如此，這樣的吸水能力也很不錯了。要知道在聚丙烯酸鈉等高吸水性高分子被應用於尿布之前，無論是可重複使用的尿布還是一次性尿布都是使用棉花、紙巾、木漿等傳統的吸水材料，它們的吸水主要是通過將水分保持在材料的孔隙中實現的，最多只能吸收20倍於自身重量的水分。要想吸收較多的水，尿布通常要相當厚重，嬰兒穿著起來很不方便，而且進入孔隙中的尿液仍然可以流出來。相反，使用了高吸水性高分子的一次性尿布不僅更加輕薄，而且被尿布吸收的水分會被牢牢地保持在水凝膠中，從而可以讓嬰兒的皮膚較長時間地保持乾爽。
通過上面的介紹，大家是否已經感受到了水凝膠這種材料的獨特魅力了？接下來讓我們了解一下水凝膠是如何在隱形眼鏡的發展歷程中發揮作用的。
二、拿什麼拯救你，隱形眼鏡
隱形眼鏡的問世雖然只是最近幾十年的事，但實際上它的歷史可以追溯到幾百年前。早在16世紀初，達·文西就提出：當人的眼球與水直接接觸時，進入人眼的光路會發生變化。這被普遍認為是最早的隱形眼鏡的構想。100多年後，大科學家笛卡兒也提出可以將充滿液體的玻璃彎管直接與眼球接觸，從而達到矯正視力的效果。不過這些設想遠遠超出了當時的科技水平，因此並未付諸實踐。
到了19世紀末，有人嘗試用玻璃製作隱形眼鏡。這樣的隱形眼鏡雖然能在一定程度上起到矯正視力的作用，但鏡片過於厚重，會讓佩戴者感到極其不舒服，甚至有可能損傷眼睛，因此很難獲得推廣。
直到各種性能優異的合成高分子材料出現以後，隱形眼鏡才迎來了真正的發展契機。在20世紀三四十年代，第一種用高分子材料製成的隱形眼鏡被成功地製造出來，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，密度卻大約只有玻璃的一半，而且也不像玻璃那樣易碎，看上去真的是非常適合用於製作隱形眼鏡。
然而如果你真的戴上了聚甲基丙烯酸甲酯做的隱形眼鏡，就會意識到它有多麼糟糕。聚甲基丙烯酸甲酯雖然比玻璃輕便許多，但它同樣很硬，使用者戴上它之後仍然會感覺不舒服。當然，經過一段時間的佩戴後，人眼適應了隱形眼鏡鏡片的存在，不舒服的感覺或許會逐漸消除，但聚甲基丙烯酸甲酯另一個致命的弱點卻無法用時間來解決，那就是透氣性太差。
我們的眼球無法從血液中得到足夠的氧氣，所以需要保持與空氣的直接接觸。如果眼球由於隱形眼鏡的阻擋而不能得到足夠的氧氣，就有可能產生一系列問題，從而影響眼球的正常生理功能。因此透氣性成為衡量隱形眼鏡性能的一個重要指標。然而聚甲基丙烯酸甲酯的分子排列非常緊密，像一堵牆一樣，空氣很難透過。佩戴這種隱形眼鏡時，氧氣只能通過鏡片邊緣的縫隙與眼球接觸，因此用聚甲基丙烯酸甲酯製造的隱形眼鏡不適合長時間佩戴。如果這個問題不解決，隱形眼鏡或許就只能停留在紙面上了。
幸運的是，就像橡膠工業的發展遇到了古德伊爾，隱形眼鏡的發展也在最關鍵的時期遇到了一位「救星」，那就是被譽為軟性隱形眼鏡之父的捷克化學家奧託·威特勒（Otto Wichterle）。
三、威特勒與軟性隱形眼鏡的誕生
威特勒1913年10月27日出生於捷克（當時還是奧匈帝國的一部分）的普羅斯捷約夫（Prostejov）。1936年，他在布拉格化學技術學院（Institute of Chemical Technology in Prague）獲得化學博士學位並留校任教。到了1939年，威特勒已經滿足了任職副教授的要求，就職報告也已經準備好了。
然而就在這一年，納粹德國入侵捷克。在納粹德國佔領捷克期間，所有的捷克的大學都被迫關閉，威特勒的學術生涯也因此中斷。幸運的是，威特勒在當時世界上最大製鞋企業巴塔鞋業謀得了一份工作，從事合成高分子方面的研究並取得了一系列重要成果。第二次世界大戰結束後，威特勒重新回到高校任教。也就是在這一時期，他開始思考如何開發出更好的隱形眼鏡鏡片材料。
威特勒想到，水凝膠或許可以解決隱形眼鏡製造所面臨的困境。首先，水凝膠由於含有大量的水，自然要比聚甲基丙烯酸甲酯這樣的塑料柔軟得多，而且水凝膠的軟硬程度還可以通過改變水的含量來調節，因此可以滿足不同用戶的需求。其次，由於大量水的存在，氧氣可以通過水凝膠中的水到達眼球，因此隱形眼鏡的透氣性也可以得到提高。如果這種水凝膠的透光性不成問題，那簡直就是用於隱形眼鏡鏡片的完美選擇。順著這個思路，威特勒開始了他的研究。
威特勒和他的合作者選擇了另一種水溶性高分子—聚甲基丙烯酸羥乙酯，並很快試製出用這種材料的水凝膠作為鏡片的隱形眼鏡。
正如他預料的，這種隱形眼鏡不僅保持了良好的透光性，而且佩戴時的舒適度也顯著提高。因此，威特勒非常期待它能夠取代聚甲基丙烯酸甲酯。
然而一個新的問題很快擺在威特勒的面前，那就是如何生產這種新型隱形眼鏡。聚甲基丙烯酸甲酯非常堅硬，因此用它生產隱形眼鏡時，只需要先得到一根聚甲基丙烯酸甲酯的圓柱，再把它切削成需要的形狀就好了。而這種方法對於柔軟的水凝膠就不適用了。威特勒首先嘗試將單體、交聯劑、水等原料一起注入一個封閉的模具中，然後對整個模具加熱使得其中的材料發生聚合反應得到高分子。然而用這種方法得到的鏡片邊緣不夠平整，顯然不適合佩戴。
被這個問題困擾了很久的威特勒終於在喝咖啡時找到了靈感。他發現，當把糖加入咖啡中時，杯中的咖啡在攪拌下形成了非常平滑的曲面。因此他推想，如果用開放式模具代替之前的封閉式模具，當馬達帶動模具時，模具中的液體也可以形成完美的曲面。如果在旋轉模具的同時讓模具的溫度逐漸升高，促使聚合反應發生，隨著水凝膠的形成，這個曲面就會被固定下來。在這個過程中，鏡片外側的曲率半徑由模具形狀所決定，而內側的曲率半徑則可以通過調節模具轉速來改變，因此我們可以非常方便地生產出不同形狀的鏡片。這種被稱為旋塗的方法至今仍然被用於隱形眼鏡的生產。
威特勒隨後準備將他的想法付諸實踐，然而捷克政府部門卻中斷了相關的資助。不甘心就此放棄的威特勒乾脆將實驗室搬到了家中。
1961年聖誕節，利用從兒童玩具、留聲機等家庭用品上拆下的零件搭建的簡陋設備，威特勒和夫人成功利用旋塗方法生產出一批隱形眼鏡。1971年，博士倫公司成功通過美國食品藥品管理局（FDA）的審批將這種新型隱形眼鏡投入市場，很快獲得巨大的成功。由於使用聚甲基丙烯酸羥乙酯水凝膠作為鏡片材料的隱形眼鏡更加柔軟，它們被稱為軟性隱形眼鏡，而之前堅硬的聚甲基丙烯酸甲酯隱形眼鏡就被對應地稱為硬性隱形眼鏡。軟性隱形眼鏡由於佩戴起來更加舒適，很快就取代了硬性隱形眼鏡而風靡全球。
不過威特勒開發的水凝膠透氣性仍然不夠好，近些年來，研究人員又開發出一種名為矽水凝膠的鏡片材料。這種材料將傳統的水凝膠與具有高度透氣性的矽橡膠結合起來，由它製成的軟性隱形眼鏡佩戴起來更舒服。
與古德伊爾類似，威特勒用自己的發明變革了一個行業，但他本人並沒有因此獲利。在沒有告知威特勒本人，更沒有和他商量的情況下，捷克政府就將軟性隱形眼鏡的專利所有權出售，威特勒從中僅僅獲得了330美元的回報。不過專心於學術研究的威特勒並沒有對此有任何抱怨。雖然沒有從軟性隱形眼鏡中得到太多的財富，威特勒卻收到另外一種形式的「大禮」—1993年，第3899號小行星以他的名字命名。
四、水凝膠帶來更加健康的生活
毋庸置疑，威特勒對隱形眼鏡的發展做出了裡程碑式的貢獻，不過他的眼光並沒有停留於此。威特勒敏銳地意識到，水凝膠柔軟且含有大量的水，而這也是生物體內諸多組織器官的特點。因此，水凝膠具有良好的生物相容性，在與生物組織相接觸時，對後者的刺激要遠遠小於常規的合成高分子材料，因此在生物醫學領域會有重要的用途。
1960年1月，威特勒和合作者將他們的研究工作以《用於生物用途的親水性凝膠》為題發表在頂級學術刊物《自然》上。這篇論文篇幅雖然不長，卻有著深遠的意義。從此，水凝膠在生物醫學領域的潛在價值開始被人們所重視。從這個角度來說，威特勒堪稱水凝膠的「伯樂」和「貴人」。
那麼水凝膠在醫學方面有哪些用途呢？我們在生活中難免遇到點磕磕碰碰，皮膚上出現傷口。為了給傷口提供一個良好的癒合環境，防止感染的發生，我們經常會用紗布、繃帶、創可貼等敷料將傷口表面覆蓋。這些材料雖然能夠很好地保護傷口，但也存在一個很大的弊端，那就是容易和創傷部位粘連在一起。在給傷口換藥時，我們常常需要設法將敷料與傷口分開，這不僅會導致換藥過程需要較長時間才能完成，更會帶來額外的疼痛，尤其是像燒傷這樣的較為嚴重的創傷，換藥過程是相當痛苦的。
為了解決這個問題，近些年來科學家們嘗試用特殊的水凝膠作為燒傷傷口的敷料。這種水凝膠的特殊之處在於它的交聯是通過可逆反應來實現的。當需要更換敷料時，只需要提供相應的條件破壞交聯結構，水凝膠固體就會變成普通的溶液，清理起來很方便，不必擔心由於敷料與創傷組織粘連而給患者造成額外的痛苦。
除了受傷，生病也是我們一生中難以避免的，而生病通常就意味著要打針吃藥。我們服用藥物時，許多時候都是希望它只治療特定的組織器官的病症，而對其他組織器官沒有影響。但是經過口服或者注射而進入體內的藥物不會老老實實待在某個器官周圍，而是隨著循環系統「滿世界遊蕩」。
在「週遊」人體的過程中，相當一部分藥物分子還沒有來得及對目標器官發揮作用就被代謝掉排出體外。而且當藥物與其他組織器官接觸時，還可能產生不必要的副作用。當然了，在通常情況下，這些並不是太大的問題。為了早日戰勝病魔恢復健康，每日按時服藥並不是什麼難事，頭暈眼花之類輕微的副作用也可以忍受。但在另外一些情況下，如藥物非常寶貴，或者副作用太嚴重，我們就必須設法提高藥物釋放的精確程度和效率。這個時候，水凝膠又派上用場了。
如果需要服用的藥物能夠溶於水，可以在製備水凝膠的時候把藥物也一同加入水中。當水凝膠形成後，這些物質也會隨著水一起進入水凝膠被包裹起來。接下來讓這塊水凝膠與體液接觸，由於體液中不含有這些藥物，因此水凝膠內外就出現了一個藥物濃度差。這個濃度差會促使一部分藥物從水凝膠中逐漸跑出來，以達到在水凝膠內外的濃度相同。這樣一來，藥物就可以緩慢地從水凝膠中釋放出來，更加持久地發揮作用。如果這時把水凝膠放到需要治療的組織器官附近，那麼藥物從水凝膠中釋放出來就還可以直接到目標組織器官內發揮作用，不僅提高了藥物的效率，而且有可能降低藥物的副作用。這就是水凝膠在醫學領域的另一重要應用—可控藥物釋放。
很多科學家還進一步設想，水凝膠或許可以被用來修復受損的組織器官，用於需要與人體接觸的醫療設備，甚至可以用於製作機器人。當前所使用的金屬、陶瓷、塑料等材料都過于堅硬，即便它們本身不含有對生物體有害的化學物質，當它們與組織器官相接觸時，仍然會讓我們的身體感覺不舒服。如果用柔軟的水凝膠取而代之，這個問題就可以迎刃而解了。
更為有趣的是，前不久研究人員還利用水凝膠開發出含有活細菌的可穿戴設備。這些細菌當然不是普通的致病菌，而是經過基因工程改造的對人體無害的細菌，它們能夠在環境中存在特定化合物時發出螢光，因而可以作為很有價值的檢測手段。但問題在於，要想讓這些特殊的細菌正常工作，就必須源源不斷地為它們提供養料，這就導致它們在實際應用中頗受限制—我們總不能拿著含有細菌的培養皿來到處檢測吧？但有了水凝膠，問題就迎刃而解了。我們可以將細菌所需要的養分包裹在水凝膠中，再用水凝膠和透氣的橡膠把細菌封裝起來。有了空氣、水和營養物質，細菌的生存就不受影響了。帶上這樣的裝置，我們就有可能根據細菌發出的螢光判斷環境中是否存在有害物質。
毫無疑問，這些研究為水凝膠所展示的前景是相當美好的，如果能夠付諸實踐，勢必能更好地保障我們的健康生活。不過，更好的「工作機會」往往也意味著更高的門檻，因此需要對水凝膠的性能作不同程度的改造，這就到了考驗科學家們創造力的時候了，比如，如果用於醫療設備，目前的水凝膠的機械強度還不夠高，有什麼辦法讓它們更堅韌一些呢？