周卓凡智能高分子

智能高分子主講人：周卓凡概述1.1智能材料定義：外界環(huán)境刺激因素包括溫度、壓力、聲波、離子、電場、磁場和溶劑等，在這些刺激因素影響下，智能材料能產(chǎn)生有效響應(yīng)，使自身的一些性質(zhì)，如相態(tài)、形狀、光學(xué)性能、力學(xué)性能、電學(xué)性能、體積、表面積等隨之發(fā)生變化。實(shí)例：形狀記憶材料智能修復(fù)材料智能調(diào)溫材料智能調(diào)光材料各種傳感器材料隱身材料......表1-智能材料的分類智能高分子材料智能高分子定義：智能高分子是一類當(dāng)受到外界環(huán)境的物理、化學(xué)乃至生物信號變化刺激時(shí)，其某些物理或化學(xué)性質(zhì)會發(fā)生突變的高分子?！贝碳ろ憫?yīng)性高分子““環(huán)境敏感性高分子”（1）智能高分子凝膠

智能高分子凝膠是一種三維高分子網(wǎng)絡(luò)和溶劑組成的體系。這類高分子凝膠材料可隨環(huán)境的變化而產(chǎn)生可逆的、非連續(xù)的體積變化。根據(jù)溶脹劑不同兩類：高分子水凝膠高分子有機(jī)凝膠用途

高分子凝膠的溶脹收縮循環(huán)可用于化學(xué)閥吸附分離、傳感器和記憶材料。循環(huán)提供的動力可用于設(shè)計(jì)化學(xué)發(fā)動機(jī)，網(wǎng)孔的可控性可用于藥物釋放體系。（2）形狀記憶高分子材料

形狀記憶高分子材料是具有形狀記憶效應(yīng)的一類新型智能高分子材料。制備方法：

一、物理方法：熱致感應(yīng)型形狀記憶高聚物一般是在已賦型后，加熱到一定的溫度，施加外力使其變形，在變形狀態(tài)下冷卻，凍結(jié)應(yīng)力，當(dāng)再次加熱到一定溫度時(shí)，材料的應(yīng)力釋放，使其自動回復(fù)到原來的賦型狀態(tài)。熱致感應(yīng)型SMP應(yīng)該具備基本特征：材料有無定型(固定相)和結(jié)晶(可逆相)兩相結(jié)構(gòu)，并且在玻璃化轉(zhuǎn)變溫度(Tg)或熔點(diǎn)(Tm)以上的較寬溫度范圍內(nèi)呈現(xiàn)高彈態(tài)。

二、化學(xué)方法：利用結(jié)晶或半結(jié)晶高分子材料經(jīng)過輻射交聯(lián)或化學(xué)交聯(lián)后形成的。用途

醫(yī)學(xué)方面

形狀記憶高分子樹脂可代替?zhèn)鹘y(tǒng)的石膏繃帶，具有生物交接的形狀記憶高分子材料可以用作組合縫合器材、止血鉗等。

航空方面

形狀記憶高分子樹脂被用于記憶的振動控制。

其他方面熱收縮膜和熱收縮管

（3）智能織物

具有智能性的織物。防水透濕、溫度調(diào)節(jié)、形狀記憶、顏色變化等。

壓力繃帶。這類織物具有可逆收縮，受潮濕時(shí)收縮，干燥后恢復(fù)到原始尺寸，濕態(tài)收縮率可達(dá)35%。在血液中收縮，在傷口所產(chǎn)生的壓力有止血作用，繃帶干燥時(shí)壓力消除。調(diào)溫纖維(4)智能高分子膜

這類一類用高分子凝膠制成的膜，能實(shí)現(xiàn)可逆變形，并能承受一定的壓力。它的智能化是通過膜的組成、結(jié)構(gòu)和形態(tài)來實(shí)現(xiàn)的。用途：智能分離材料、醫(yī)學(xué)材料等響應(yīng)因素：溫度、PH、分子、電場、光、壓力等

(5)智能高分子復(fù)合材料

◆新的高分子復(fù)合材料具有自愈合、自應(yīng)變等功能。在航空領(lǐng)域，用復(fù)合材料制成的貼在機(jī)翼上的“智能皮”，能取代飛機(jī)起飛、轉(zhuǎn)向、降落所必須的尾翼和各襟翼?！粼诮ㄖ矫骖I(lǐng)域智能復(fù)合材料的自診斷、自調(diào)節(jié)、自修復(fù)功能，可用來快速檢查環(huán)境溫度、濕度，取代溫控線路和保護(hù)線路。

凝膠及高分子凝膠

凝膠及凝膠現(xiàn)象在大自然中普遍存在。自然界的一些生物（如海參等）的原始器官主要為水凝膠，它能夠?qū)ν饨绲拇碳ぱ杆僮龀鲰憫?yīng)，是柔軟的軀體瞬間變得僵硬，或部分體壁變?yōu)檎承晕镔|(zhì)。

20世紀(jì)90年代中期，Keller為廣義的凝膠做了一個較為全面而準(zhǔn)確的定義：

凝膠是由一種包含液體，能夠自我維持穩(wěn)定的分散體系，由單鏈或大的分子聚集體構(gòu)成的連續(xù)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。

凝膠的分散介質(zhì)也可以是氣體或固體。智能高分子凝膠■高分子凝膠由三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的高分子和溶脹劑組成，網(wǎng)絡(luò)可以吸收溶脹劑而溶脹。智能高分子凝膠的應(yīng)用1智能藥物釋放系統(tǒng)2人工肌肉系統(tǒng)3智能高分子分離材料4組織工程材料智能藥物釋放系統(tǒng)

智能藥物釋放系統(tǒng)是指在某些物理刺激（如溫度、光、超聲波、微波、和磁場等）或化學(xué)刺激（如PH值、葡萄糖等）作用下可釋放藥物的系統(tǒng)，而且能由體外的光、電、磁和熱等物理信號遙控體內(nèi)的刺激響應(yīng)性藥物，使其向信號集中的特定部位靶向釋放。高分子凝膠載藥系統(tǒng)藥物釋放途徑：（1）隨高分子凝膠的降解而釋放；此途徑為生物降解型。（2）通過高分子凝膠的膨脹擴(kuò)散而釋放；此途徑中溶液中的滲透物質(zhì)滲透進(jìn)載藥體系，聚合物膨脹，藥物擴(kuò)散釋放出來。（3）高分子凝膠載體表面化學(xué)釋放殼聚糖是一種天然高分子材料，具有良好的生物降解性與生物相容性。以殼聚糖為骨架材料，戊二醛為交聯(lián)劑，采用懸浮交聯(lián)聚合法制備了高分子微球，并用磷脂和多糖等物質(zhì)對其進(jìn)行了包膜，制備了廣譜抗癌藥氟尿嘧啶的溫度名感性與靶向性微球。當(dāng)溫度高于殼聚糖凝膠微球的相轉(zhuǎn)變溫度42℃時(shí)，藥球的釋放呈持續(xù)增加趨勢。而當(dāng)溫度降至37℃時(shí)釋放量迅速減少，基本達(dá)到了藥物釋放ON-OFF開關(guān)的目的。人工肌肉生物體肌肉的源泉是肌動蛋白-肌球蛋白體系通過三磷酸腺苷（ATP）將化學(xué)能直接轉(zhuǎn)變成機(jī)械能，其效率可高達(dá)40%~50%.此時(shí)1分子ATP水解所產(chǎn)生的自由能要比熱大10余倍。鑒于肌肉的運(yùn)動體現(xiàn)了等溫條件下化學(xué)能直接轉(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)械能，這就促使許多科學(xué)家從事等溫條件下操作的化學(xué)運(yùn)動源的研究，試圖開發(fā)各種功能性或智能型的材料已達(dá)到模仿生物體肌肉運(yùn)動的目的。應(yīng)用——“人工魚”人工章魚高分十分離膜的智能性通常表現(xiàn)為，當(dāng)滲透介質(zhì)的性質(zhì)或周圍環(huán)境發(fā)生變化時(shí)，智能膜材可以感知這種變化并相應(yīng)調(diào)節(jié)其選擇滲透性能。引起膜材響應(yīng)的刺激信號有多種，大致可分為物刺激信號如溫度、濕度、電、光、磁、力等以及化學(xué)刺激信號如PH值、化學(xué)物質(zhì)等。溫敏型分離膜閉孔開孔高分子凝膠分離材料

組織工程材料組織工程是運(yùn)用工程科學(xué)與生命科學(xué)的基本原理和方法，研究與開發(fā)生物體替代材料來恢復(fù)、維持和改進(jìn)組織功能的技術(shù)。其基本思路是首先在體外分離、培養(yǎng)細(xì)胞，然后將一定量的細(xì)胞種植到具有一定形狀的三維生物材料骨架內(nèi)，并加以持續(xù)培養(yǎng)，最終形成具有一定結(jié)構(gòu)的組織和器官。與傳統(tǒng)的移植和重建等高價(jià)治療方法相比，組織工程所提供的組織替代材料比器官移植便宜得多，且更適應(yīng)治療個體化的發(fā)展。目前這一領(lǐng)域正快速發(fā)展。細(xì)胞培養(yǎng)基質(zhì)

通常細(xì)胞的培養(yǎng)是在培養(yǎng)皿上進(jìn)行的，細(xì)胞增殖后，通過一種叫胰蛋白酶的物質(zhì)消化切斷細(xì)胞與底物間的粘連，但這不可避免地影響細(xì)胞的某些功能?？茖W(xué)家們巧妙地利用了溫敏性高分子水凝膠。他們將聚異丙基丙烯酰胺接枝到聚苯乙烯培養(yǎng)板表面形成一層薄膜，將小牛的內(nèi)皮細(xì)胞或鼠的肝細(xì)胞在凝膠表面層于37℃培養(yǎng)。在37℃下，凝膠表面呈現(xiàn)疏水性，能與細(xì)胞很好地粘附。當(dāng)細(xì)胞成熟后，將溫度降至20℃，由于凝膠表面變得親水，細(xì)胞可自動從表面脫附，見圖1。智能粘合劑

利用高分子表面的環(huán)境響應(yīng)特性可設(shè)計(jì)智能粘合劑——兩親性粘合劑。通常的粘合劑對極性與非極性基材的普適性差。姚康德等根據(jù)高分子表面環(huán)境響應(yīng)性設(shè)計(jì)與合成了聚氨酯交聯(lián)聚丙烯酸酯粘合劑(PUA)，由動態(tài)接觸角研究表面，它對極性（如聚氯乙烯）和非極性（如聚乙烯）基材的粘合性與粘合劑網(wǎng)絡(luò)中極性和非極性組分響應(yīng)相關(guān)。表面響應(yīng)性敏感高分子高分子表面的環(huán)境響應(yīng)性高分子材料與金屬、陶瓷材料等無機(jī)材料相比具有較大的柔韌性。與介質(zhì)接觸時(shí)，高分子材料特別是多相高分子體系的非相容部分在表面的官能團(tuán)、表面形態(tài)、甚至一定深度的結(jié)構(gòu)單