第4章智能高分子材料

1、 1第第4章章 智能高分子材料智能高分子材料 24.1概述概述分子結(jié)構(gòu)分子結(jié)構(gòu)(包括支鏈結(jié)構(gòu)包括支鏈結(jié)構(gòu))、聚集態(tài)結(jié)構(gòu)、聚集態(tài)結(jié)構(gòu)、共混、復(fù)合、界面共混、復(fù)合、界面表面表面外觀結(jié)構(gòu)外觀結(jié)構(gòu)概念概念 3自然界：自然界：網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的高聚物和水組成的高聚物和水組成 4人工材料：人工材料：聚丙烯酰胺聚丙烯酰胺 5(1)(1)智能高分子凝膠智能高分子凝膠 刺激響應(yīng)性高分子凝膠刺激響應(yīng)性高分子凝膠 受到環(huán)境刺激時(shí)會隨之響應(yīng)，發(fā)生結(jié)構(gòu)、受到環(huán)境刺激時(shí)會隨之響應(yīng)，發(fā)生結(jié)構(gòu)、物理性質(zhì)、化學(xué)性質(zhì)變化的凝膠。物理性質(zhì)、化學(xué)性質(zhì)變化的凝膠。 6(2)智能藥物釋放體系智能藥物釋放體系 7(3)(3)記憶功能高分子

2、材料記憶功能高分子材料(4)(4)智能高分子膜智能高分子膜形狀記憶形狀記憶 8（5 5）聚合物電流變流體）聚合物電流變流體（6 6）智能織物）智能織物 94.2 高分子凝膠及體積相轉(zhuǎn)變高分子凝膠及體積相轉(zhuǎn)變復(fù)合體系復(fù)合體系體積相轉(zhuǎn)變：體積相轉(zhuǎn)變：體系內(nèi)各種相互作用力相互結(jié)合和競爭的結(jié)果。體系內(nèi)各種相互作用力相互結(jié)合和競爭的結(jié)果。 10范德華力范德華力 靜電相互作用力靜電相互作用力氫鍵氫鍵 11(4)疏水相互作用力疏水相互作用力溫度較低溫度較低水分子在疏水性基團(tuán)周圍形成團(tuán)簇水分子在疏水性基團(tuán)周圍形成團(tuán)簇溫度升高至相變溫度溫度升高至相變溫度凝膠網(wǎng)絡(luò)為凝膠網(wǎng)絡(luò)為疏水基團(tuán)保護(hù)疏水基團(tuán)保護(hù)異丙基異丙基疏

3、水基團(tuán)疏水基團(tuán) 124.3高分子凝膠的刺激響應(yīng)性高分子凝膠的刺激響應(yīng)性4.3.1物理刺激響應(yīng)性物理刺激響應(yīng)性(1)溫敏性凝膠溫敏性凝膠溫度的變化影響了其中的疏水基團(tuán)的疏水作溫度的變化影響了其中的疏水基團(tuán)的疏水作用以及大分子鏈間的氫鍵作用用以及大分子鏈間的氫鍵作用低臨界溶解溫度低臨界溶解溫度LCST 13高溫收縮型高溫收縮型聚異丙基丙烯酰胺聚異丙基丙烯酰胺(PNIPA) 機(jī)理：疏水基團(tuán)的疏水作用。機(jī)理：疏水基團(tuán)的疏水作用。低溫收縮型低溫收縮型聚丙烯酸聚丙烯酸(PAAC)和聚和聚N, N二甲基丙烯酰胺二甲基丙烯酰胺 (PDMAAM)網(wǎng)絡(luò)互穿形成的聚合物水凝膠網(wǎng)絡(luò)互穿形成的聚合物水凝膠 機(jī)理：氫鍵的

4、形成與斷裂。機(jī)理：氫鍵的形成與斷裂。 14(2)光敏感性凝膠光敏感性凝膠光敏感分子的經(jīng)光輻照后光敏感分子的經(jīng)光輻照后發(fā)生光異構(gòu)化，伴隨幾何結(jié)構(gòu)的改變發(fā)生光異構(gòu)化，伴隨幾何結(jié)構(gòu)的改變光敏感分子發(fā)生光解離作用光敏感分子發(fā)生光解離作用(即遇光分解即遇光分解產(chǎn)生的離子化產(chǎn)生的離子化)，使凝膠內(nèi)外離子濃度差，使凝膠內(nèi)外離子濃度差改變改變 15(3)磁場敏感性凝膠磁場敏感性凝膠施加磁場時(shí)施加磁場時(shí)鐵磁體發(fā)熱鐵磁體發(fā)熱誘發(fā)溶脹誘發(fā)溶脹或收縮或收縮 16(4)電場敏感性凝膠電場敏感性凝膠聚電解質(zhì)凝膠聚電解質(zhì)凝膠自由離子自由離子定向定向移動移動：凝膠內(nèi)不同部位凝膠內(nèi)不同部位pH值不同值不同影響影響電離狀態(tài)電離狀

5、態(tài)凝膠內(nèi)外離子濃度不均凝膠內(nèi)外離子濃度不均滲透壓變化滲透壓變化 17 184.3.2 化學(xué)刺激響應(yīng)性化學(xué)刺激響應(yīng)性(1) pH敏感性凝膠敏感性凝膠 19(1) pH敏感性凝膠敏感性凝膠聚丙烯酸（羧基電離）聚丙烯酸（羧基電離） 20(2)化學(xué)物質(zhì)響應(yīng)凝膠化學(xué)物質(zhì)響應(yīng)凝膠胰島素釋放體系胰島素釋放體系對葡萄糖響應(yīng)對葡萄糖響應(yīng) 21 224.3.3 雙重響應(yīng)智能凝膠雙重響應(yīng)智能凝膠(1) 溫度和溫度和pH敏感凝膠敏感凝膠異丙基丙烯酰胺異丙基丙烯酰胺 丙烯酸丙烯酸 234.3.3 雙重響應(yīng)智能凝膠雙重響應(yīng)智能凝膠(2)熱、光敏感凝膠熱、光敏感凝膠PNIPA和葉綠酸網(wǎng)絡(luò)組成的凝膠和葉綠酸網(wǎng)絡(luò)組成的凝膠 2

6、4(3)pH、光敏感凝膠、光敏感凝膠 25(4)磁性、熱敏感凝膠磁性、熱敏感凝膠 264.4 智能高分子凝膠的應(yīng)用智能高分子凝膠的應(yīng)用（1）分離功能材料）分離功能材料分離機(jī)理分離機(jī)理擴(kuò)散分離擴(kuò)散分離吸附分離和絡(luò)合分離吸附分離和絡(luò)合分離 27優(yōu)點(diǎn)：優(yōu)點(diǎn)： 28污泥脫水污泥脫水聚乙烯基甲基醚聚乙烯基甲基醚(PVME)應(yīng)應(yīng) 用用 29生物分離生物分離電解質(zhì)的濃縮分離：電解質(zhì)的濃縮分離：螯合基螯合基團(tuán)團(tuán)(羧基羧基)可與二價(jià)金屬離子形成配合物可與二價(jià)金屬離子形成配合物凝膠收縮凝膠收縮捕獲金屬離子捕獲金屬離子溶脹釋放溶脹釋放金屬離子金屬離子 30(2)運(yùn)動功能材料運(yùn)動功能材料單絲收縮應(yīng)力單絲收縮應(yīng)力2.9

7、4mN人工肌肉人工肌肉聚乙烯基甲基醚聚乙烯基甲基醚(PVME)水凝膠水凝膠賦形用高賦形用高分子分子 31(3)生物反應(yīng)器酶的活性控制生物反應(yīng)器酶的活性控制自動控制自動控制:人為控制人為控制淀粉轉(zhuǎn)葡糖苷酶的活性控制淀粉轉(zhuǎn)葡糖苷酶的活性控制 32(4)細(xì)胞培養(yǎng)基質(zhì)細(xì)胞培養(yǎng)基質(zhì)37 培養(yǎng)培養(yǎng)凝膠表面呈現(xiàn)疏水性，與細(xì)胞很好地粘附凝膠表面呈現(xiàn)疏水性，與細(xì)胞很好地粘附溫度降至溫度降至20凝膠表面變得親凝膠表面變得親水，細(xì)胞自動從表面脫附水，細(xì)胞自動從表面脫附降溫降溫 33(5)在組織工程中的應(yīng)用在組織工程中的應(yīng)用凝膠凝膠作為組織重建和植入的人工細(xì)胞外基質(zhì)作為組織重建和植入的人工細(xì)胞外基質(zhì)軟骨細(xì)胞軟骨細(xì)胞/膠原復(fù)合材料膠原復(fù)合材料植入鼠體植入鼠體4周后形成新周后形成新成熟軟骨成熟軟骨 34(6)調(diào)光材料調(diào)光材料對激光的透過能力調(diào)節(jié)對激光的透過能力調(diào)節(jié)參數(shù)可調(diào)控光學(xué)鏡片參數(shù)可調(diào)控光學(xué)鏡片電場敏感凝膠電場敏感凝膠外加電場下外加電場下表面凸出或凹陷表面凸出或凹陷調(diào)節(jié)材料調(diào)節(jié)材料的焦距的焦距 35(7)可視化光學(xué)傳感材料可視化光學(xué)傳感材料機(jī)理機(jī)理聚合物微球結(jié)晶膠聚合物微球結(jié)晶膠體陣列體陣列(PCCA) 36智能聚合結(jié)晶膠體陣列智能聚合結(jié)晶膠體陣列(IPCCA)葡萄糖傳感器葡萄糖傳感器H)(Gox)(Gox葡糖酸還原葡萄糖氧化 37(8)表面圖案技術(shù)表面圖案技術(shù)金濺涂在聚異