生物醫(yī)用敏感材料課件

第六章生物醫(yī)用敏感材料6.1概述功能材料：通過(guò)電、磁、聲、光、熱等直接刺激效應(yīng)和耦合效應(yīng)，以及化學(xué)和生物效應(yīng)實(shí)現(xiàn)某種使用功能的材料。敏感材料：對(duì)熱、濕、光、電壓等物理信號(hào)的細(xì)微變化敏感，引起材料本身電阻率、電動(dòng)勢(shì)、電流等物理量迅速變化的功能材料。敏感元件生物醫(yī)用敏感材料：是指應(yīng)用于臨床檢驗(yàn)和治療疾病方面的敏感材料。第六章生物醫(yī)用敏感材料6.1概述1生物醫(yī)用敏感材料與功能材料和敏感材料的關(guān)系

功能材料

敏感材料生物醫(yī)用敏感材料生物醫(yī)用敏感材料與功能材料和敏感材料的關(guān)系功2生物醫(yī)用敏感材料的要求：良好的生物相容性極高的靈敏度穩(wěn)定性、可靠性使用壽命長(zhǎng)生物醫(yī)用敏感材料的要求：3生物醫(yī)用敏感材料分類：（1）按生物醫(yī)用敏感材料的理化屬性，

無(wú)機(jī)非金屬敏感材料

金屬敏感材料

有機(jī)高分子敏感材料（pH、溫度、離子強(qiáng)度等敏感）

生物醫(yī)用復(fù)合敏感材料生物陶瓷生物玻璃生物玻璃陶瓷生物醫(yī)用敏感材料分類：生物陶瓷生物玻璃生物玻璃陶瓷4（2）按生物醫(yī)用敏感材料的用途分，

治療用敏感材料

診斷用敏感材料自身能感知外界環(huán)境細(xì)微的變化，并能產(chǎn)生相應(yīng)的物理結(jié)構(gòu)和化學(xué)性質(zhì)變化甚至突變。集感知、驅(qū)動(dòng)和信息處理于一體，形成類似生物材料那樣具有智能屬性的高分子材料如檢測(cè)人體深部位體溫的溫度計(jì)中的熱敏電阻。傳感器性能的好壞主要取決于敏感材料性能的優(yōu)劣。（2）按生物醫(yī)用敏感材料的用途分，自身能感知外界環(huán)境細(xì)微的變56.2治療用生物醫(yī)用敏感材料

智能型高分子凝膠形狀記憶材料物理刺激響應(yīng)化學(xué)刺激響應(yīng)形狀記憶高分子材料形狀記憶合金6.2治療用生物醫(yī)用敏感材料智能型高分子凝膠形狀記6一、智能高分子水凝膠三維高分子網(wǎng)絡(luò)與溶劑組成的體系含有親溶劑性基團(tuán)，可被溶劑溶脹最大的特點(diǎn):體積相轉(zhuǎn)變一、智能高分子水凝膠7智能高分子水凝膠的體積相轉(zhuǎn)變內(nèi)因：范德華力、氫鍵、疏水作用及靜電作用力相互組合和競(jìng)爭(zhēng)溶脹相收縮相外界環(huán)境因子的變化體積不連續(xù)變化智能高分子水凝膠的體積相轉(zhuǎn)變內(nèi)因：范德華力、氫鍵、疏水作8

智能高分子水凝膠的制備起始原料：

單體(水溶或油溶單體)聚合物(天然或合成聚合物)單體和聚合物的混合物兩個(gè)前提:

主鏈或側(cè)鏈上帶有大量的親水基團(tuán)適當(dāng)?shù)慕宦?lián)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)制備方法：

單體的交聯(lián)聚合

接枝共聚

其它交聯(lián)或轉(zhuǎn)化等化學(xué)引發(fā)劑輻射技術(shù)引發(fā)單體自由基均聚或共聚智能凝膠烯烴類單體共價(jià)連接天然高分子（淀粉纖維素）及衍生物智能高分子水凝膠的制備起始原料：化學(xué)引發(fā)劑輻射技術(shù)引發(fā)單體9

智能高分子凝膠的刺激響應(yīng)性與分類pH響應(yīng)性凝膠生化響應(yīng)性凝膠鹽敏凝膠溫度響應(yīng)性凝膠光響應(yīng)性凝膠壓力敏感性凝膠電場(chǎng)響應(yīng)性凝膠刺激響應(yīng)性物理刺激化學(xué)刺激溫度光壓力電場(chǎng)pH生化鹽化學(xué)、相分離、形狀、表面、滲透性、機(jī)械強(qiáng)度光、電刺激響應(yīng)分類智能高分子凝膠的刺激響應(yīng)性與分類pH響應(yīng)性凝膠溫度響應(yīng)性凝10（一）溫度響應(yīng)性凝膠響應(yīng)機(jī)制：凝膠結(jié)構(gòu)中具有一定比例的疏水和親水基團(tuán)，溫度的變化可影響這些基團(tuán)的疏水作用以及大分子間的氫鍵作用，使得凝膠大分子鏈的構(gòu)象因響應(yīng)溫度的刺激而伸展或卷曲，從而使凝膠體積膨脹或收縮。（一）溫度響應(yīng)性凝膠11聚烷基丙烯酰胺類凝膠聚異丙基丙烯酰胺（PNIPAm）凝膠：poly(N-isopropylacrylamide)聚烷基丙烯酰胺類凝膠poly(N-isopropylacry12低臨界溶解溫度(Lowercriticalsolutiontemperature,LCST)表示在水溶液環(huán)境中導(dǎo)致不溶解的－NCH(CH3)2基團(tuán)間疏水相互作用和保持聚合物溶液中的水與－NH或－C=O間氫鍵相互平衡。溫度低于LCST時(shí)溶脹，高于LCST時(shí)收縮。PNIPAmLCST:32C低臨界溶解溫度(Lowercriticalsolutio13水溶性藥物，當(dāng)溫度達(dá)體溫(37°C)（>LCST）時(shí)網(wǎng)絡(luò)收縮擠掉內(nèi)部的水，藥物隨之釋放。疏水性藥物，在溫度高于LCST時(shí)固定于聚合物網(wǎng)絡(luò)中，溫度低于LCST時(shí)則以Fickian擴(kuò)散的形式釋放出來(lái)。用PNIPAm類水凝膠可實(shí)現(xiàn)脈沖藥物釋放(ON/OFF釋放)，可望用于口服、植入或透皮藥物釋放體系。

線性PNIPAm接枝到已交聯(lián)的水凝膠上可明顯增加凝膠收縮的速率PNIPAm疏水成核作用水溶性藥物，當(dāng)溫度達(dá)體溫(37°C)（>LCST）時(shí)網(wǎng)絡(luò)14N－取代基的疏水性對(duì)凝膠的溫度刺激響應(yīng)的影響：取代基疏水性越強(qiáng)，凝膠在體積相轉(zhuǎn)變溫度處產(chǎn)生的體積變化越大，溫度響應(yīng)越明顯，且相變溫度越低。疏水性增大N－取代基的疏水性對(duì)凝膠的溫度刺激響應(yīng)的影響：取代基疏水性15聚異丙基丙烯酰胺-共－聚甲基丙烯酸丁酯（PNIPAm-co-PBMA）凝膠溫度在20～30C交替變化時(shí)，凝膠體系可開(kāi)關(guān)式地控制藥物釋放。LCST:25C在PBS中，吲哚美辛在PNIPAAm-co-PBMA體系隨溫度的脈沖釋放體內(nèi)應(yīng)用時(shí)希望LCST低于生理溫度。降低LCST方法？聚異丙基丙烯酰胺-共－聚甲基丙烯酸丁酯（PNIPAm-co-162.溫度響應(yīng)性凝膠接枝到多孔藥物膠囊表面，利用聚合物響應(yīng)過(guò)程中鏈的收縮與伸展來(lái)阻塞或開(kāi)放膠囊微孔，達(dá)到控制膠囊包封藥物的釋放。溫度響應(yīng)性的滲透控制閥式給藥系統(tǒng)。2.溫度響應(yīng)性凝膠接枝到多孔藥物膠囊表面，利用聚合物響應(yīng)過(guò)程17溫敏凝膠在免疫隔離膜上的應(yīng)用代謝型組織工程中常將產(chǎn)生細(xì)胞因子和激素的細(xì)胞以水凝膠固定化，此水凝膠膜材起免疫隔離作用，它的半滲透性僅允許細(xì)胞的營(yíng)養(yǎng)物、代謝物及所產(chǎn)生的細(xì)胞因子和激素通透，而截留抗體、補(bǔ)體和免疫細(xì)胞而起免疫隔離作用。P(NIPAm-co-5%AA)凝膠填充的人工胰臟示意圖人工胰臟能保持胰島素合成達(dá)1個(gè)月．此3維培養(yǎng)環(huán)境適應(yīng)貼壁組織培養(yǎng)，在細(xì)胞活性降低時(shí)利用溶膠－凝膠轉(zhuǎn)變能實(shí)現(xiàn)細(xì)胞移出，以新種了細(xì)胞再種植溫敏凝膠在免疫隔離膜上的應(yīng)用P(NIPAm-co-5%AA)18（二）pH響應(yīng)性凝膠機(jī)理：這類凝膠中含有大量水解或質(zhì)子化的酸、堿基團(tuán)，如羧基或氨基，這些基團(tuán)的解離受外界pH的影響：（1）pH變化時(shí)，解離程度改變，造成凝膠內(nèi)外離子強(qiáng)度變化；（2）解離還會(huì)破壞凝膠內(nèi)氫鍵，交聯(lián)點(diǎn)減少，造成網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，引起溶脹。相體積轉(zhuǎn)變可逆

（二）pH響應(yīng)性凝膠192.甲基丙烯酸烷酯（n-AMA）和二甲基氨乙基丙烯酸酯（DMA）交聯(lián)凝膠

低pH環(huán)境，叔胺質(zhì)子化，凝膠溶脹；高pH環(huán)境，叔胺失去質(zhì)子，凝膠收縮。凝膠中AMA的疏水性對(duì)凝膠的pH刺激響應(yīng)性有影響2.甲基丙烯酸烷酯（n-AMA）和二甲基氨乙基丙烯酸酯（D20不同共聚組成比的MMA-DMA凝膠隨pH變化等溫線：MMA含量增加不同共聚組成比的MMA-DMA凝膠隨pH變化等溫線：MMA含213.聚環(huán)氧乙烷與聚丙烯酸互穿網(wǎng)絡(luò)響應(yīng)性凝膠

聚環(huán)氧乙烷與聚丙烯酸之間形成氫鍵。高pH環(huán)境，羧基電離成羧基負(fù)離子，靜電相斥，凝膠溶脹；低pH環(huán)境，羧基不電離，氫鍵穩(wěn)定，凝膠收縮。4.聚丙烯酸－聚乙烯亞胺共聚物聚丙烯酸的羧基對(duì)pH敏感，pH，凝膠網(wǎng)絡(luò)溶脹。

3.聚環(huán)氧乙烷與聚丙烯酸互穿網(wǎng)絡(luò)響應(yīng)性凝膠22pH響應(yīng)性聚合物接枝到多孔藥物膠囊表面，利用聚合物pH響應(yīng)過(guò)程中鏈的收縮與伸展來(lái)阻塞或開(kāi)放膠囊微孔，達(dá)到控制膠囊包封藥物的釋放。例：在多孔尼龍膠囊表面接枝聚乙烯吡啶(PVP)或聚甲基丙烯酸（PMA）等pH敏感聚合物鏈，構(gòu)成了pH響應(yīng)性的滲透控制閥式給藥系統(tǒng)。pH響應(yīng)性聚合物接枝到多孔藥物膠囊表面，利用聚合物pH響23

接枝的尼龍膠囊表面滲透控制機(jī)理NaCl應(yīng)用：①腫瘤化療②腸溶片接枝的尼龍膠囊表面滲透控制機(jī)理NaCl應(yīng)用：①腫瘤化療2425C,NaCl隨膠囊外pH變化滲透率的改變（膠囊交替地浸到pH=2或pH=12的水溶液中）。未接枝接枝PVP接枝PMA25C,NaCl隨膠囊外pH變化滲透率的改變（膠囊交替地浸255.pH響應(yīng)性膠原

膠原是一類動(dòng)物蛋白，在等電點(diǎn)以下氨基電離，在等電點(diǎn)以上羧基電離，改變pH值可改變其電離度，大分子鏈荷電性的改變必然影響分子鏈的舒展程度，導(dǎo)致宏觀溶脹度的改變。也就是說(shuō)，膠原蛋白在酸性條件下為聚陽(yáng)離子，而在堿性條件下為聚陰離子，故而膠原的溶脹性對(duì)PH的變化具有一定的響應(yīng)性．因而，它是一種很有希望的智能型藥物釋放材料。5.pH響應(yīng)性膠原26（三）化學(xué)刺激響應(yīng)系統(tǒng)釋放機(jī)理刺激響應(yīng)脈沖釋放體系中敏感材料（響應(yīng)性凝膠）對(duì)某一特定化學(xué)物質(zhì)特別敏感，其物理結(jié)構(gòu)和化學(xué)性質(zhì)隨該物質(zhì)含量多少而改變，從而達(dá)到釋放藥物的目的。（三）化學(xué)刺激響應(yīng)系統(tǒng)釋放機(jī)理刺激響應(yīng)脈沖釋放體系中敏感材料27對(duì)葡萄糖響應(yīng)的胰島素給藥系統(tǒng)感知葡萄糖濃度競(jìng)爭(zhēng)結(jié)合、釋放藥物患者的血糖濃度維持正常水平例1刀豆球蛋白系統(tǒng)對(duì)葡萄糖響應(yīng)的胰島素給藥系統(tǒng)感知葡萄糖濃度競(jìng)爭(zhēng)結(jié)合、釋放藥物28例2含苯硼酸基團(tuán)聚合物凝膠微球PBA凝膠中與糖基結(jié)合的胰島素釋放機(jī)制例2含苯硼酸基團(tuán)聚合物凝膠微球PBA凝膠中與糖基結(jié)合的胰島29PBA凝膠中糖基胰島素的脈沖釋放PBA凝膠中糖基胰島素的脈沖釋放30例3P(MAA-g-EG)responsivehydrogelChem.Soc.Rev.,2005,34,276–285H+濃度敏感例3P(MAA-g-EG)responsivehydr31（四）光響應(yīng)性凝膠

由熱敏性材料中引入對(duì)光敏感的基團(tuán)制成的。響應(yīng)性機(jī)理(3種)：熱敏性材料中的特殊感光分子，將光能轉(zhuǎn)化為熱能，使材料局部溫度升高，當(dāng)凝膠內(nèi)部溫度達(dá)到熱敏性材料的相轉(zhuǎn)變溫度時(shí)，則凝膠產(chǎn)生響應(yīng)。例：Suzuki和Tanaka合成的聚異丙基丙烯酰胺(PNIPAm)與葉綠酸(chlorophyllin)共聚的凝膠，吸光后迅速將光能轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮埽咕植繙囟壬?，從而?dǎo)致局部體積的改變。當(dāng)溫度控制在PNIPAm相轉(zhuǎn)變溫度附近(31.5℃)時(shí)，隨著光強(qiáng)的連續(xù)變化，可使凝膠在某光強(qiáng)處產(chǎn)生不連續(xù)的體積變化。（四）光響應(yīng)性凝膠322.將遇光能夠分解的感光性化合物添加到高分子凝膠中，在光的刺激作用下，凝膠內(nèi)部將產(chǎn)生大量離子，引起凝膠內(nèi)部滲透壓的突變，溶劑由外向內(nèi)擴(kuò)散，促使凝膠發(fā)生體積相轉(zhuǎn)變，產(chǎn)生光敏效應(yīng)。2.將遇光能夠分解的感光性化合物添加到高分子凝膠中，在光的333.更為常用的方法是在高分子主鏈或側(cè)鏈引入感光基團(tuán)，這些感光基團(tuán)吸收了一定能量的光子之后，就會(huì)引起某些電子從基態(tài)向激發(fā)態(tài)的躍遷．此時(shí)，處于高能激發(fā)態(tài)的分子會(huì)通過(guò)分子內(nèi)部或分子間的能量轉(zhuǎn)移而發(fā)生異構(gòu)化作用，引起分子構(gòu)型的變化，例如，偶氮苯及其衍生物在紫外光照射下其分子結(jié)構(gòu)會(huì)發(fā)生順-反異構(gòu)的變化，由“V”字型的反式異構(gòu)體轉(zhuǎn)變成棒狀的順式異構(gòu)體，不僅分子尺寸發(fā)生大的變化，同時(shí)也改變了大分子鏈間距離，從而導(dǎo)致相轉(zhuǎn)變的發(fā)生3.更為常用的方法是在高分子主鏈或側(cè)鏈引入感光基團(tuán)，這些感34（五）電場(chǎng)響應(yīng)性凝膠這種水凝膠由聚電解質(zhì)高分子構(gòu)成，在直流電場(chǎng)作用下可發(fā)生形變，其響應(yīng)性與溶液中自由離子在直流電場(chǎng)作用下的定向移動(dòng)有關(guān)。自由離子定向移動(dòng)會(huì)造成：（1）凝膠內(nèi)外離子濃度不均，產(chǎn)生滲透壓變化引起凝膠變形。（2）凝膠中不同部位pH不同，從而影響凝膠中聚電解質(zhì)電離狀態(tài)，使凝膠結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，造成凝膠形變。（如，PAA+PVA共混凝膠在Na2CO3溶液中向負(fù)極彎曲）

（五）電場(chǎng)響應(yīng)性凝膠35（六）其他響應(yīng)體系:微波控制抗癌藥物（胺甲嘌呤）釋放以降解性聚N(3-羥丙基-L-谷氨酰胺)與藥物鍵合，并注入癌變部位，用350MHz微波照射注射在癌變部位的藥物使其釋放。（六）其他響應(yīng)體系:36磁場(chǎng)響應(yīng)性凝膠

包埋有磁性材料的高吸水性凝膠稱為磁場(chǎng)響應(yīng)性凝膠。當(dāng)把鐵磁性“種子”材料預(yù)埋在凝膠中并置于磁場(chǎng)時(shí)，鐵磁材料被加熱而使凝膠的局部溫度上升，導(dǎo)致凝膠膨脹或收縮，撤掉磁場(chǎng)，凝膠冷卻恢復(fù)至原來(lái)大小。這種方法可用于植入型藥物釋放體系，由電源和線圈構(gòu)成的手表大小的裝置產(chǎn)生磁場(chǎng)，使凝膠收縮而釋放一定劑量的藥物。例如：Langer開(kāi)發(fā)了包埋有磁環(huán)的乙烯醋酸二烯酯共聚物的胰島素釋放體系，施加振動(dòng)磁場(chǎng)則胰島素呈脈沖釋放。磁場(chǎng)響應(yīng)性凝膠37總之，高分子凝膠的智能化表現(xiàn)在以下幾方面。當(dāng)外部環(huán)境的pH、離子強(qiáng)度、溫度、電場(chǎng)以及環(huán)境中所含有的其他化學(xué)物質(zhì)發(fā)生變化時(shí)，高分子凝膠即呈現(xiàn)出“刺激-應(yīng)答”狀態(tài)。例如在高分子凝膠中出現(xiàn)相轉(zhuǎn)變，表現(xiàn)為網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)孔增大、網(wǎng)絡(luò)失去彈性、網(wǎng)絡(luò)的體積急劇變化（可變化幾百倍之多），甚至在三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中不再存在凝膠相。而且這些變化是可逆的和不連續(xù)的。

總之，高分子凝膠的智能化表現(xiàn)在以下幾方面。當(dāng)外部環(huán)境的pH、38上述這些變化使高分子凝膠的體積既可以發(fā)生溶脹，又可以收縮，利用這種性質(zhì)設(shè)計(jì)出一種裝置，它具有肌肉的功能，這種人造肌肉制成的機(jī)械手類似于智能機(jī)器人的手，能夠拿東西。上述這些變化使高分子凝膠的體積既可以發(fā)生溶脹，又可以收39（一）形狀記憶合金二、形狀記憶醫(yī)用材料（一）形狀記憶合金二、形狀記憶醫(yī)用材料40（二）形狀記憶聚合物（Shapememorypolymer,SMP）

SMP是指對(duì)已經(jīng)賦形的高聚物在一定的條件下（如加熱、光照、改變酸堿度、磁場(chǎng)等）實(shí)施變形，將這種變形狀態(tài)保存下來(lái)；當(dāng)聚合物再進(jìn)行加熱、光照或者改變酸堿度等刺激的時(shí)候，聚合物又可以恢復(fù)到其原來(lái)的賦形狀態(tài)（二）形狀記憶聚合物（Shapememorypolyme41Timeseriesphotographsthatshowtherecoveryofashape-memorytube.(a)-(f)Starttofinishoftheprocesstakesatotalof10sat50°C.Thetubewasmadeofapoly(ε-caprolactone)dimethacrylatepolymernetwork(theMnofthenetwork’sswitchingsegmentswas104gmol-1)thathadbeenprogrammedtoformaflathelix.Timeseriesphotographsthats42

形狀記憶材料循環(huán)熱機(jī)械實(shí)驗(yàn)Rr反映材料能夠記憶其原始形狀的能力,而Rf則表示材料能夠固定某一瞬間形變的能力。形狀記憶材料循環(huán)熱機(jī)械實(shí)驗(yàn)Rr反映材料能夠記憶其原始形狀43

與形狀記憶含金相比，形狀記憶聚合物具有如下優(yōu)點(diǎn)：質(zhì)量輕，成本低、形狀記憶溫度可調(diào)，易著色，形變量大、賦形容易等特點(diǎn)。與形狀記憶含金相比，形狀記憶聚合物具有如下優(yōu)點(diǎn)44這類高分子一般可看作二相結(jié)構(gòu),即由記憶起始形狀的固定相和隨溫度變化可逆地固定與軟化的可逆相組成?？赡嫦酁槲锢斫宦?lián)結(jié)構(gòu),如Tm較低的結(jié)晶態(tài),Tg較低的玻璃態(tài),而固定相可分為物理交聯(lián)結(jié)構(gòu)和化學(xué)交聯(lián)結(jié)構(gòu)。以物理交聯(lián)結(jié)構(gòu)(即Tm或Tg較高的一相在較低溫時(shí)形成的分子纏繞)為固定相的形狀記憶高分子材料稱為熱塑性形狀記憶高分子,以化學(xué)交聯(lián)結(jié)構(gòu)為固定相的形狀記憶高分子稱為熱固性形狀記憶高分子這類高分子一般可看作二相結(jié)構(gòu),即由記憶起始形狀的固定相和隨45形狀記憶聚合物的基本結(jié)構(gòu)特征：實(shí)質(zhì)上，形狀記憶聚合物是一種聚合物網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。形狀記憶聚合物網(wǎng)絡(luò)中包含兩種功能的結(jié)構(gòu)，一種為負(fù)責(zé)觸發(fā)形狀記憶效果的結(jié)構(gòu)，被稱作開(kāi)關(guān)結(jié)構(gòu)，另一種為負(fù)責(zé)記憶聚合物原始形狀的結(jié)構(gòu)，稱為固定結(jié)構(gòu)。形狀記憶聚合物的基本結(jié)構(gòu)特征：46形狀記憶聚合物的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中開(kāi)關(guān)結(jié)構(gòu)可以是結(jié)晶或非晶的分子鏈或鏈段，其玻璃化轉(zhuǎn)變溫度或熔融轉(zhuǎn)變溫度(Ttrans)作為形狀記憶聚合物的開(kāi)關(guān)溫度(Ts)，也有文獻(xiàn)稱其為形狀回復(fù)溫度。固定結(jié)構(gòu)可以是作為化學(xué)交聯(lián)的化學(xué)鍵，也可以是作為物理交聯(lián)的結(jié)晶或非晶的微區(qū)結(jié)構(gòu)，或是分子鏈纏結(jié)。微區(qū)結(jié)構(gòu)作為物理交聯(lián)時(shí)其熱轉(zhuǎn)變溫度Tperm必須大于Ts。形狀記憶聚合物的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中開(kāi)關(guān)結(jié)構(gòu)可以是結(jié)晶或非晶的分子鏈或47根據(jù)固定結(jié)構(gòu)的不同類型，可以把形狀記憶聚合物分為以化學(xué)交聯(lián)為固定結(jié)構(gòu)型和以物理交聯(lián)為固定結(jié)構(gòu)型，并將其簡(jiǎn)稱為化學(xué)交聯(lián)型和物理交聯(lián)型形狀記憶聚合物。根據(jù)固定結(jié)構(gòu)的不同類型，可以把形狀記憶聚合物分為以化學(xué)交聯(lián)為48化學(xué)交聯(lián)型形狀記憶聚合物中，作為固定結(jié)構(gòu)的化學(xué)交聯(lián)鍵將分子鏈連接起來(lái)，并形成交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，固定結(jié)構(gòu)為化學(xué)交聯(lián)鍵，開(kāi)關(guān)結(jié)構(gòu)為聚合物網(wǎng)鏈?；瘜W(xué)交聯(lián)型形狀記憶聚合物中，作為固定結(jié)構(gòu)的化學(xué)交聯(lián)鍵將分子鏈49Molecularmechanismofthethermallyinducedshape-memoryeffect.Ttrans=thermaltransitiontemperaturerelatedtotheswitchingphase.Tm=TtrasMolecularmechanismofthe50在化學(xué)交聯(lián)型形狀記憶聚合物中，交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)的熔點(diǎn)或玻璃化轉(zhuǎn)變溫度為形狀記憶聚合物的開(kāi)關(guān)溫度，如形狀記憶交聯(lián)聚乙烯(即熱收縮聚乙烯)的熔點(diǎn)為其開(kāi)關(guān)溫度，而形狀記憶環(huán)氧樹(shù)脂的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度為開(kāi)關(guān)溫度。化學(xué)交聯(lián)型形狀記憶聚合物的網(wǎng)鏈類型、網(wǎng)鏈長(zhǎng)短、交聯(lián)密度等結(jié)構(gòu)因素決定其熱性能、機(jī)械性能和形狀記憶性能。在化學(xué)交聯(lián)型形狀記憶聚合物中，交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)的熔點(diǎn)或玻璃化轉(zhuǎn)變溫度51

物理交聯(lián)型形狀記憶聚合物的固定結(jié)構(gòu)為相分離導(dǎo)致的微區(qū)結(jié)構(gòu)或分子鏈纏結(jié)形成的物理交聯(lián)點(diǎn)。典型的、以微區(qū)結(jié)構(gòu)為物理交聯(lián)的形狀記憶聚合物為嵌段共聚形狀記憶聚合物。線形嵌段形狀記憶聚合物，如PU、PET-PEO等PU物理交聯(lián)型形狀記憶聚合物的固定結(jié)構(gòu)為相分離導(dǎo)致的微區(qū)結(jié)構(gòu)或52線形嵌段聚合物的形狀記憶機(jī)理示意圖嵌段共聚的形狀記憶聚合物中，軟段相作為開(kāi)關(guān)結(jié)構(gòu)（回復(fù)相）而硬段富集相作為固定結(jié)構(gòu)（固定相）?；貜?fù)相既可以是無(wú)定形相也可以是結(jié)晶相，其玻璃化轉(zhuǎn)變溫度或熔融轉(zhuǎn)變溫度作為形狀記憶效應(yīng)的開(kāi)關(guān)溫度?；貜?fù)相的熱轉(zhuǎn)變溫度小于固定相的熱轉(zhuǎn)變溫度。線形嵌段聚合物的形狀記憶機(jī)理示意圖嵌段共聚的形狀記憶聚合物中53具有相分離結(jié)構(gòu)的接枝共聚物，如聚乙烯－聚己內(nèi)酰胺接技共聚物在此接枝共聚形狀記憶聚合物中，聚己內(nèi)酰胺的熔點(diǎn)為220℃左右，聚己內(nèi)酰胺微區(qū)作為固定相分散在聚乙烯基體中。聚乙烯作為回復(fù)相，其熔點(diǎn)120℃左右，這一溫度作為聚乙烯－聚己內(nèi)酰胺接枝共聚物的形狀記憶的開(kāi)關(guān)溫度。接枝共聚形狀記憶聚合物A:聚乙烯，B:聚己內(nèi)酰胺具有相分離結(jié)構(gòu)的接枝共聚物，如聚乙烯－聚己內(nèi)酰胺接技共聚物在54另外一種物理交聯(lián)型形狀記憶聚合物是以分子鏈纏結(jié)為固定結(jié)構(gòu)的形狀記憶聚合物。這類形狀記億聚合物的特點(diǎn)是高分子量，這使得聚合物內(nèi)部存在大范圍的物理纏結(jié)。在聚合物的形變過(guò)程中，這些纏結(jié)可以阻止分子鏈的相互滑移，起到固定結(jié)構(gòu)的作用。以分子鏈纏結(jié)為固定結(jié)構(gòu)的形狀記憶聚合物另外一種物理交聯(lián)型形狀記憶聚合物是以分子鏈纏結(jié)為固定結(jié)構(gòu)的55聚降冰片烯為這種形狀記憶聚合物的代表，其分子量高達(dá)300萬(wàn)，遠(yuǎn)高于普通的塑料。聚降冰片烯的形狀記憶開(kāi)關(guān)溫度為其玻璃化轉(zhuǎn)變溫度35～45℃。聚降冰片烯為這種形狀記憶聚合物的代表，其分子量高達(dá)300萬(wàn)，56形狀記憶過(guò)程Ttras=Tg;開(kāi)關(guān)結(jié)構(gòu)為結(jié)晶相，固定相為物理交聯(lián)點(diǎn)形狀記憶過(guò)程Ttras=Tg;開(kāi)關(guān)結(jié)構(gòu)為結(jié)晶相，固定相為物57Ttras=Tm;開(kāi)關(guān)結(jié)構(gòu)為結(jié)晶相，固定相為物理交聯(lián)點(diǎn)Ttras=Tm;開(kāi)關(guān)結(jié)構(gòu)為結(jié)晶相，固定相為物理交聯(lián)點(diǎn)58第六章生物醫(yī)用敏感材料課件59形狀記憶材料的應(yīng)用矯形外固定骨折繃帶癌癥放射治療時(shí)的定位形狀記憶材料的應(yīng)用矯骨癌60熱致形狀記憶高分子的應(yīng)用醫(yī)療器材-固定創(chuàng)傷部位的器材醫(yī)療器材-手術(shù)縫合線熱致形狀記憶高分子的應(yīng)用醫(yī)療器材-固定創(chuàng)傷部位的器材醫(yī)療器材61異徑管接合材料---熱收縮管異徑管接合材料---熱收縮管62●包裝材料

●變形物的復(fù)原，如緊固鉚釘?shù)取癜b材料

●變形物的復(fù)原，如緊固鉚釘?shù)?36.3診斷用敏感材料1.生物醫(yī)用無(wú)機(jī)非金屬敏感材料（1）生物醫(yī)用無(wú)機(jī)熱敏材料熱敏電阻陶瓷：負(fù)溫度系數(shù)NTC熱敏陶瓷正溫度系數(shù)PTC熱敏陶瓷臨界溫度熱敏陶瓷（CTR）線性阻溫特性熱敏陶瓷(線性NTC/PTC)6.3診斷用敏感材料1.生物醫(yī)用無(wú)機(jī)非金屬敏感材料64幾種典型的熱敏電阻陶瓷及金屬的溫度特性示意圖。1－Pt絲，2－NTC，3－CTR，4－PTC，5－線性PTC，6－線性NTC幾種典型的熱敏電阻陶瓷及金屬的溫度特性示意圖。65負(fù)溫度系數(shù)NTC熱敏陶瓷：測(cè)量人體深部體溫及血、尿中的參數(shù)濃度氧化物陶瓷正溫度系數(shù)PTC熱敏陶瓷：開(kāi)關(guān)型或緩變型熱敏電阻陶瓷、測(cè)量電流限制器、延時(shí)開(kāi)關(guān)鈦酸鋇陶瓷負(fù)溫度系數(shù)NTC熱敏陶瓷：測(cè)量人體深部體溫及血、尿中的參數(shù)濃66熱釋電陶瓷PTZ－熱敏陶瓷：

熱釋電效應(yīng)就是當(dāng)材料受溫度變化影響時(shí)，由于自發(fā)極化的相應(yīng)變化而在晶體的一定方向上產(chǎn)生表面電荷的現(xiàn)象。

如鋯鈦酸鉛陶瓷紅外熱成像儀熱釋電陶瓷PTZ－熱敏陶瓷：67（2）生物醫(yī)用無(wú)機(jī)壓電材料

壓電晶體和壓電陶瓷換能器件，在沒(méi)有對(duì)稱中心的晶體上施加壓力、張力或剪切力，發(fā)生與應(yīng)力成比例的介質(zhì)極化，在晶體兩端出現(xiàn)正負(fù)電荷（壓電效應(yīng)）。逆向成立（逆壓電效應(yīng)）。壓電晶體如石英、酒石酸鉀鈉與鋯鈦酸鉛陶瓷等；壓電陶瓷如鈦酸鋇、鈦酸鉛和鋯鈦酸鉛等，屬鈣鈦礦型晶胞結(jié)構(gòu)。應(yīng)用：微重力分析傳感器、超聲波診斷、超聲波治療、壓電血壓計(jì)（2）生物醫(yī)用無(wú)機(jī)壓電材料68（3）生物醫(yī)用光敏陶瓷光電導(dǎo)效應(yīng)：在光（可見(jiàn)光、紅外光、紫外光等）照射下，物質(zhì)吸收光子能量，激發(fā)出電子或空穴，從而使電導(dǎo)率發(fā)生變化的現(xiàn)象。對(duì)紅外光區(qū)敏感的PbS光敏陶瓷可作為醫(yī)學(xué)圖象傳感器方面的元件，其他光區(qū)(如可見(jiàn)光區(qū))的光敏陶瓷（如CdS、CdSe）可作為光檢測(cè)元件、電路元件、光復(fù)合器件等在醫(yī)用傳感器方面使用。

（4）生物醫(yī)用無(wú)機(jī)氣敏材料原理：基于元器件表面的氣體吸附和隨之產(chǎn)生的元件電導(dǎo)率變化，如SnO2、ZnO、Fe2O3和ZrO2。應(yīng)用：測(cè)量呼吸過(guò)程O(píng)2和CO2濃度變化。（3）生物醫(yī)用光敏陶瓷692.生物醫(yī)用有機(jī)高分子敏感材料電敏感聚合物

有機(jī)導(dǎo)電聚合物膜（如聚吡咯），酶電極

電子從氧化還原中心通過(guò)導(dǎo)電聚合物轉(zhuǎn)移到電極上的示意圖2.生物醫(yī)用有機(jī)高分子敏感材料電子從氧化還原中心通過(guò)導(dǎo)電聚70生物醫(yī)用光敏有機(jī)高分子記錄影像非銀鹽感光材料主要組分有成膜物、光引發(fā)劑和添加劑。成膜物包括預(yù)聚體、交聯(lián)劑和活性稀釋劑等，通常為各種丙烯酸酯或丙烯酸胺類、不飽和聚酯類和烯類硫醇體系，以及適用陰離子光聚合的環(huán)氧化合物等。光引發(fā)劑有安息香醚類和本乙酮衍生物等。添加劑包括穩(wěn)定劑、增塑劑、分散劑、填料、顏料或染料等肋劉。生物醫(yī)用光敏有機(jī)高分子主要組分有成膜物、光引發(fā)劑和添加劑。71生物醫(yī)用復(fù)合敏感材料

碳黑填充聚乙烯材料，正溫度系數(shù)熱敏感材料（PTC），用于熱成像。生物醫(yī)用復(fù)合敏感材料72第六章生物醫(yī)用敏感材料6.1概述功能材料：通過(guò)電、磁、聲、光、熱等直接刺激效應(yīng)和耦合效應(yīng)，以及化學(xué)和生物效應(yīng)實(shí)現(xiàn)某種使用功能的材料。敏感材料：對(duì)熱、濕、光、電壓等物理信號(hào)的細(xì)微變化敏感，引起材料本身電阻率、電動(dòng)勢(shì)、電流等物理量迅速變化的功能材料。敏感元件生物醫(yī)用敏感材料：是指應(yīng)用于臨床檢驗(yàn)和治療疾病方面的敏感材料。第六章生物醫(yī)用敏感材料6.1概述73生物醫(yī)用敏感材料與功能材料和敏感材料的關(guān)系

功能材料

敏感材料生物醫(yī)用敏感材料生物醫(yī)用敏感材料與功能材料和敏感材料的關(guān)系功74生物醫(yī)用敏感材料的要求：良好的生物相容性極高的靈敏度穩(wěn)定性、可靠性使用壽命長(zhǎng)生物醫(yī)用敏感材料的要求：75生物醫(yī)用敏感材料分類：（1）按生物醫(yī)用敏感材料的理化屬性，

無(wú)機(jī)非金屬敏感材料

金屬敏感材料

有機(jī)高分子敏感材料（pH、溫度、離子強(qiáng)度等敏感）

生物醫(yī)用復(fù)合敏感材料生物陶瓷生物玻璃生物玻璃陶瓷生物醫(yī)用敏感材料分類：生物陶瓷生物玻璃生物玻璃陶瓷76（2）按生物醫(yī)用敏感材料的用途分，

治療用敏感材料

診斷用敏感材料自身能感知外界環(huán)境細(xì)微的變化，并能產(chǎn)生相應(yīng)的物理結(jié)構(gòu)和化學(xué)性質(zhì)變化甚至突變。集感知、驅(qū)動(dòng)和信息處理于一體，形成類似生物材料那樣具有智能屬性的高分子材料如檢測(cè)人體深部位體溫的溫度計(jì)中的熱敏電阻。傳感器性能的好壞主要取決于敏感材料性能的優(yōu)劣。（2）按生物醫(yī)用敏感材料的用途分，自身能感知外界環(huán)境細(xì)微的變776.2治療用生物醫(yī)用敏感材料

智能型高分子凝膠形狀記憶材料物理刺激響應(yīng)化學(xué)刺激響應(yīng)形狀記憶高分子材料形狀記憶合金6.2治療用生物醫(yī)用敏感材料智能型高分子凝膠形狀記78一、智能高分子水凝膠三維高分子網(wǎng)絡(luò)與溶劑組成的體系含有親溶劑性基團(tuán)，可被溶劑溶脹最大的特點(diǎn):體積相轉(zhuǎn)變一、智能高分子水凝膠79智能高分子水凝膠的體積相轉(zhuǎn)變內(nèi)因：范德華力、氫鍵、疏水作用及靜電作用力相互組合和競(jìng)爭(zhēng)溶脹相收縮相外界環(huán)境因子的變化體積不連續(xù)變化智能高分子水凝膠的體積相轉(zhuǎn)變內(nèi)因：范德華力、氫鍵、疏水作80

智能高分子水凝膠的制備起始原料：

單體(水溶或油溶單體)聚合物(天然或合成聚合物)單體和聚合物的混合物兩個(gè)前提:

主鏈或側(cè)鏈上帶有大量的親水基團(tuán)適當(dāng)?shù)慕宦?lián)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)制備方法：

單體的交聯(lián)聚合

接枝共聚

其它交聯(lián)或轉(zhuǎn)化等化學(xué)引發(fā)劑輻射技術(shù)引發(fā)單體自由基均聚或共聚智能凝膠烯烴類單體共價(jià)連接天然高分子（淀粉纖維素）及衍生物智能高分子水凝膠的制備起始原料：化學(xué)引發(fā)劑輻射技術(shù)引發(fā)單體81

智能高分子凝膠的刺激響應(yīng)性與分類pH響應(yīng)性凝膠生化響應(yīng)性凝膠鹽敏凝膠溫度響應(yīng)性凝膠光響應(yīng)性凝膠壓力敏感性凝膠電場(chǎng)響應(yīng)性凝膠刺激響應(yīng)性物理刺激化學(xué)刺激溫度光壓力電場(chǎng)pH生化鹽化學(xué)、相分離、形狀、表面、滲透性、機(jī)械強(qiáng)度光、電刺激響應(yīng)分類智能高分子凝膠的刺激響應(yīng)性與分類pH響應(yīng)性凝膠溫度響應(yīng)性凝82（一）溫度響應(yīng)性凝膠響應(yīng)機(jī)制：凝膠結(jié)構(gòu)中具有一定比例的疏水和親水基團(tuán)，溫度的變化可影響這些基團(tuán)的疏水作用以及大分子間的氫鍵作用，使得凝膠大分子鏈的構(gòu)象因響應(yīng)溫度的刺激而伸展或卷曲，從而使凝膠體積膨脹或收縮。（一）溫度響應(yīng)性凝膠83聚烷基丙烯酰胺類凝膠聚異丙基丙烯酰胺（PNIPAm）凝膠：poly(N-isopropylacrylamide)聚烷基丙烯酰胺類凝膠poly(N-isopropylacry84低臨界溶解溫度(Lowercriticalsolutiontemperature,LCST)表示在水溶液環(huán)境中導(dǎo)致不溶解的－NCH(CH3)2基團(tuán)間疏水相互作用和保持聚合物溶液中的水與－NH或－C=O間氫鍵相互平衡。溫度低于LCST時(shí)溶脹，高于LCST時(shí)收縮。PNIPAmLCST:32C低臨界溶解溫度(Lowercriticalsolutio85水溶性藥物，當(dāng)溫度達(dá)體溫(37°C)（>LCST）時(shí)網(wǎng)絡(luò)收縮擠掉內(nèi)部的水，藥物隨之釋放。疏水性藥物，在溫度高于LCST時(shí)固定于聚合物網(wǎng)絡(luò)中，溫度低于LCST時(shí)則以Fickian擴(kuò)散的形式釋放出來(lái)。用PNIPAm類水凝膠可實(shí)現(xiàn)脈沖藥物釋放(ON/OFF釋放)，可望用于口服、植入或透皮藥物釋放體系。

線性PNIPAm接枝到已交聯(lián)的水凝膠上可明顯增加凝膠收縮的速率PNIPAm疏水成核作用水溶性藥物，當(dāng)溫度達(dá)體溫(37°C)（>LCST）時(shí)網(wǎng)絡(luò)86N－取代基的疏水性對(duì)凝膠的溫度刺激響應(yīng)的影響：取代基疏水性越強(qiáng)，凝膠在體積相轉(zhuǎn)變溫度處產(chǎn)生的體積變化越大，溫度響應(yīng)越明顯，且相變溫度越低。疏水性增大N－取代基的疏水性對(duì)凝膠的溫度刺激響應(yīng)的影響：取代基疏水性87聚異丙基丙烯酰胺-共－聚甲基丙烯酸丁酯（PNIPAm-co-PBMA）凝膠溫度在20～30C交替變化時(shí)，凝膠體系可開(kāi)關(guān)式地控制藥物釋放。LCST:25C在PBS中，吲哚美辛在PNIPAAm-co-PBMA體系隨溫度的脈沖釋放體內(nèi)應(yīng)用時(shí)希望LCST低于生理溫度。降低LCST方法？聚異丙基丙烯酰胺-共－聚甲基丙烯酸丁酯（PNIPAm-co-882.溫度響應(yīng)性凝膠接枝到多孔藥物膠囊表面，利用聚合物響應(yīng)過(guò)程中鏈的收縮與伸展來(lái)阻塞或開(kāi)放膠囊微孔，達(dá)到控制膠囊包封藥物的釋放。溫度響應(yīng)性的滲透控制閥式給藥系統(tǒng)。2.溫度響應(yīng)性凝膠接枝到多孔藥物膠囊表面，利用聚合物響應(yīng)過(guò)程89溫敏凝膠在免疫隔離膜上的應(yīng)用代謝型組織工程中常將產(chǎn)生細(xì)胞因子和激素的細(xì)胞以水凝膠固定化，此水凝膠膜材起免疫隔離作用，它的半滲透性僅允許細(xì)胞的營(yíng)養(yǎng)物、代謝物及所產(chǎn)生的細(xì)胞因子和激素通透，而截留抗體、補(bǔ)體和免疫細(xì)胞而起免疫隔離作用。P(NIPAm-co-5%AA)凝膠填充的人工胰臟示意圖人工胰臟能保持胰島素合成達(dá)1個(gè)月．此3維培養(yǎng)環(huán)境適應(yīng)貼壁組織培養(yǎng)，在細(xì)胞活性降低時(shí)利用溶膠－凝膠轉(zhuǎn)變能實(shí)現(xiàn)細(xì)胞移出，以新種了細(xì)胞再種植溫敏凝膠在免疫隔離膜上的應(yīng)用P(NIPAm-co-5%AA)90（二）pH響應(yīng)性凝膠機(jī)理：這類凝膠中含有大量水解或質(zhì)子化的酸、堿基團(tuán)，如羧基或氨基，這些基團(tuán)的解離受外界pH的影響：（1）pH變化時(shí)，解離程度改變，造成凝膠內(nèi)外離子強(qiáng)度變化；（2）解離還會(huì)破壞凝膠內(nèi)氫鍵，交聯(lián)點(diǎn)減少，造成網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，引起溶脹。相體積轉(zhuǎn)變可逆

（二）pH響應(yīng)性凝膠912.甲基丙烯酸烷酯（n-AMA）和二甲基氨乙基丙烯酸酯（DMA）交聯(lián)凝膠

低pH環(huán)境，叔胺質(zhì)子化，凝膠溶脹；高pH環(huán)境，叔胺失去質(zhì)子，凝膠收縮。凝膠中AMA的疏水性對(duì)凝膠的pH刺激響應(yīng)性有影響2.甲基丙烯酸烷酯（n-AMA）和二甲基氨乙基丙烯酸酯（D92不同共聚組成比的MMA-DMA凝膠隨pH變化等溫線：MMA含量增加不同共聚組成比的MMA-DMA凝膠隨pH變化等溫線：MMA含933.聚環(huán)氧乙烷與聚丙烯酸互穿網(wǎng)絡(luò)響應(yīng)性凝膠

聚環(huán)氧乙烷與聚丙烯酸之間形成氫鍵。高pH環(huán)境，羧基電離成羧基負(fù)離子，靜電相斥，凝膠溶脹；低pH環(huán)境，羧基不電離，氫鍵穩(wěn)定，凝膠收縮。4.聚丙烯酸－聚乙烯亞胺共聚物聚丙烯酸的羧基對(duì)pH敏感，pH，凝膠網(wǎng)絡(luò)溶脹。

3.聚環(huán)氧乙烷與聚丙烯酸互穿網(wǎng)絡(luò)響應(yīng)性凝膠94pH響應(yīng)性聚合物接枝到多孔藥物膠囊表面，利用聚合物pH響應(yīng)過(guò)程中鏈的收縮與伸展來(lái)阻塞或開(kāi)放膠囊微孔，達(dá)到控制膠囊包封藥物的釋放。例：在多孔尼龍膠囊表面接枝聚乙烯吡啶(PVP)或聚甲基丙烯酸（PMA）等pH敏感聚合物鏈，構(gòu)成了pH響應(yīng)性的滲透控制閥式給藥系統(tǒng)。pH響應(yīng)性聚合物接枝到多孔藥物膠囊表面，利用聚合物pH響95

接枝的尼龍膠囊表面滲透控制機(jī)理NaCl應(yīng)用：①腫瘤化療②腸溶片接枝的尼龍膠囊表面滲透控制機(jī)理NaCl應(yīng)用：①腫瘤化療9625C,NaCl隨膠囊外pH變化滲透率的改變（膠囊交替地浸到pH=2或pH=12的水溶液中）。未接枝接枝PVP接枝PMA25C,NaCl隨膠囊外pH變化滲透率的改變（膠囊交替地浸975.pH響應(yīng)性膠原

膠原是一類動(dòng)物蛋白，在等電點(diǎn)以下氨基電離，在等電點(diǎn)以上羧基電離，改變pH值可改變其電離度，大分子鏈荷電性的改變必然影響分子鏈的舒展程度，導(dǎo)致宏觀溶脹度的改變。也就是說(shuō)，膠原蛋白在酸性條件下為聚陽(yáng)離子，而在堿性條件下為聚陰離子，故而膠原的溶脹性對(duì)PH的變化具有一定的響應(yīng)性．因而，它是一種很有希望的智能型藥物釋放材料。5.pH響應(yīng)性膠原98（三）化學(xué)刺激響應(yīng)系統(tǒng)釋放機(jī)理刺激響應(yīng)脈沖釋放體系中敏感材料（響應(yīng)性凝膠）對(duì)某一特定化學(xué)物質(zhì)特別敏感，其物理結(jié)構(gòu)和化學(xué)性質(zhì)隨該物質(zhì)含量多少而改變，從而達(dá)到釋放藥物的目的。（三）化學(xué)刺激響應(yīng)系統(tǒng)釋放機(jī)理刺激響應(yīng)脈沖釋放體系中敏感材料99對(duì)葡萄糖響應(yīng)的胰島素給藥系統(tǒng)感知葡萄糖濃度競(jìng)爭(zhēng)結(jié)合、釋放藥物患者的血糖濃度維持正常水平例1刀豆球蛋白系統(tǒng)對(duì)葡萄糖響應(yīng)的胰島素給藥系統(tǒng)感知葡萄糖濃度競(jìng)爭(zhēng)結(jié)合、釋放藥物100例2含苯硼酸基團(tuán)聚合物凝膠微球PBA凝膠中與糖基結(jié)合的胰島素釋放機(jī)制例2含苯硼酸基團(tuán)聚合物凝膠微球PBA凝膠中與糖基結(jié)合的胰島101PBA凝膠中糖基胰島素的脈沖釋放PBA凝膠中糖基胰島素的脈沖釋放102例3P(MAA-g-EG)responsivehydrogelChem.Soc.Rev.,2005,34,276–285H+濃度敏感例3P(MAA-g-EG)responsivehydr103（四）光響應(yīng)性凝膠

由熱敏性材料中引入對(duì)光敏感的基團(tuán)制成的。響應(yīng)性機(jī)理(3種)：熱敏性材料中的特殊感光分子，將光能轉(zhuǎn)化為熱能，使材料局部溫度升高，當(dāng)凝膠內(nèi)部溫度達(dá)到熱敏性材料的相轉(zhuǎn)變溫度時(shí)，則凝膠產(chǎn)生響應(yīng)。例：Suzuki和Tanaka合成的聚異丙基丙烯酰胺(PNIPAm)與葉綠酸(chlorophyllin)共聚的凝膠，吸光后迅速將光能轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮?，使局部溫度升高，從而?dǎo)致局部體積的改變。當(dāng)溫度控制在PNIPAm相轉(zhuǎn)變溫度附近(31.5℃)時(shí)，隨著光強(qiáng)的連續(xù)變化，可使凝膠在某光強(qiáng)處產(chǎn)生不連續(xù)的體積變化。（四）光響應(yīng)性凝膠1042.將遇光能夠分解的感光性化合物添加到高分子凝膠中，在光的刺激作用下，凝膠內(nèi)部將產(chǎn)生大量離子，引起凝膠內(nèi)部滲透壓的突變，溶劑由外向內(nèi)擴(kuò)散，促使凝膠發(fā)生體積相轉(zhuǎn)變，產(chǎn)生光敏效應(yīng)。2.將遇光能夠分解的感光性化合物添加到高分子凝膠中，在光的1053.更為常用的方法是在高分子主鏈或側(cè)鏈引入感光基團(tuán)，這些感光基團(tuán)吸收了一定能量的光子之后，就會(huì)引起某些電子從基態(tài)向激發(fā)態(tài)的躍遷．此時(shí)，處于高能激發(fā)態(tài)的分子會(huì)通過(guò)分子內(nèi)部或分子間的能量轉(zhuǎn)移而發(fā)生異構(gòu)化作用，引起分子構(gòu)型的變化，例如，偶氮苯及其衍生物在紫外光照射下其分子結(jié)構(gòu)會(huì)發(fā)生順-反異構(gòu)的變化，由“V”字型的反式異構(gòu)體轉(zhuǎn)變成棒狀的順式異構(gòu)體，不僅分子尺寸發(fā)生大的變化，同時(shí)也改變了大分子鏈間距離，從而導(dǎo)致相轉(zhuǎn)變的發(fā)生3.更為常用的方法是在高分子主鏈或側(cè)鏈引入感光基團(tuán)，這些感106（五）電場(chǎng)響應(yīng)性凝膠這種水凝膠由聚電解質(zhì)高分子構(gòu)成，在直流電場(chǎng)作用下可發(fā)生形變，其響應(yīng)性與溶液中自由離子在直流電場(chǎng)作用下的定向移動(dòng)有關(guān)。自由離子定向移動(dòng)會(huì)造成：（1）凝膠內(nèi)外離子濃度不均，產(chǎn)生滲透壓變化引起凝膠變形。（2）凝膠中不同部位pH不同，從而影響凝膠中聚電解質(zhì)電離狀態(tài)，使凝膠結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，造成凝膠形變。（如，PAA+PVA共混凝膠在Na2CO3溶液中向負(fù)極彎曲）

（五）電場(chǎng)響應(yīng)性凝膠107（六）其他響應(yīng)體系:微波控制抗癌藥物（胺甲嘌呤）釋放以降解性聚N(3-羥丙基-L-谷氨酰胺)與藥物鍵合，并注入癌變部位，用350MHz微波照射注射在癌變部位的藥物使其釋放。（六）其他響應(yīng)體系:108磁場(chǎng)響應(yīng)性凝膠

包埋有磁性材料的高吸水性凝膠稱為磁場(chǎng)響應(yīng)性凝膠。當(dāng)把鐵磁性“種子”材料預(yù)埋在凝膠中并置于磁場(chǎng)時(shí)，鐵磁材料被加熱而使凝膠的局部溫度上升，導(dǎo)致凝膠膨脹或收縮，撤掉磁場(chǎng)，凝膠冷卻恢復(fù)至原來(lái)大小。這種方法可用于植入型藥物釋放體系，由電源和線圈構(gòu)成的手表大小的裝置產(chǎn)生磁場(chǎng)，使凝膠收縮而釋放一定劑量的藥物。例如：Langer開(kāi)發(fā)了包埋有磁環(huán)的乙烯醋酸二烯酯共聚物的胰島素釋放體系，施加振動(dòng)磁場(chǎng)則胰島素呈脈沖釋放。磁場(chǎng)響應(yīng)性凝膠109總之，高分子凝膠的智能化表現(xiàn)在以下幾方面。當(dāng)外部環(huán)境的pH、離子強(qiáng)度、溫度、電場(chǎng)以及環(huán)境中所含有的其他化學(xué)物質(zhì)發(fā)生變化時(shí)，高分子凝膠即呈現(xiàn)出“刺激-應(yīng)答”狀態(tài)。例如在高分子凝膠中出現(xiàn)相轉(zhuǎn)變，表現(xiàn)為網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)孔增大、網(wǎng)絡(luò)失去彈性、網(wǎng)絡(luò)的體積急劇變化（可變化幾百倍之多），甚至在三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中不再存在凝膠相。而且這些變化是可逆的和不連續(xù)的。

總之，高分子凝膠的智能化表現(xiàn)在以下幾方面。當(dāng)外部環(huán)境的pH、110上述這些變化使高分子凝膠的體積既可以發(fā)生溶脹，又可以收縮，利用這種性質(zhì)設(shè)計(jì)出一種裝置，它具有肌肉的功能，這種人造肌肉制成的機(jī)械手類似于智能機(jī)器人的手，能夠拿東西。上述這些變化使高分子凝膠的體積既可以發(fā)生溶脹，又可以收111（一）形狀記憶合金二、形狀記憶醫(yī)用材料（一）形狀記憶合金二、形狀記憶醫(yī)用材料112（二）形狀記憶聚合物（Shapememorypolymer,SMP）

SMP是指對(duì)已經(jīng)賦形的高聚物在一定的條件下（如加熱、光照、改變酸堿度、磁場(chǎng)等）實(shí)施變形，將這種變形狀態(tài)保存下來(lái)；當(dāng)聚合物再進(jìn)行加熱、光照或者改變酸堿度等刺激的時(shí)候，聚合物又可以恢復(fù)到其原來(lái)的賦形狀態(tài)（二）形狀記憶聚合物（Shapememorypolyme113Timeseriesphotographsthatshowtherecoveryofashape-memorytube.(a)-(f)Starttofinishoftheprocesstakesatotalof10sat50°C.Thetubewasmadeofapoly(ε-caprolactone)dimethacrylatepolymernetwork(theMnofthenetwork’sswitchingsegmentswas104gmol-1)thathadbeenprogrammedtoformaflathelix.Timeseriesphotographsthats114

形狀記憶材料循環(huán)熱機(jī)械實(shí)驗(yàn)Rr反映材料能夠記憶其原始形狀的能力,而Rf則表示材料能夠固定某一瞬間形變的能力。形狀記憶材料循環(huán)熱機(jī)械實(shí)驗(yàn)Rr反映材料能夠記憶其原始形狀115

與形狀記憶含金相比，形狀記憶聚合物具有如下優(yōu)點(diǎn)：質(zhì)量輕，成本低、形狀記憶溫度可調(diào)，易著色，形變量大、賦形容易等特點(diǎn)。與形狀記憶含金相比，形狀記憶聚合物具有如下優(yōu)點(diǎn)116這類高分子一般可看作二相結(jié)構(gòu),即由記憶起始形狀的固定相和隨溫度變化可逆地固定與軟化的可逆相組成。可逆相為物理交聯(lián)結(jié)構(gòu),如Tm較低的結(jié)晶態(tài),Tg較低的玻璃態(tài),而固定相可分為物理交聯(lián)結(jié)構(gòu)和化學(xué)交聯(lián)結(jié)構(gòu)。以物理交聯(lián)結(jié)構(gòu)(即Tm或Tg較高的一相在較低溫時(shí)形成的分子纏繞)為固定相的形狀記憶高分子材料稱為熱塑性形狀記憶高分子,以化學(xué)交聯(lián)結(jié)構(gòu)為固定相的形狀記憶高分子稱為熱固性形狀記憶高分子這類高分子一般可看作二相結(jié)構(gòu),即由記憶起始形狀的固定相和隨117形狀記憶聚合物的基本結(jié)構(gòu)特征：實(shí)質(zhì)上，形狀記憶聚合物是一種聚合物網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。形狀記憶聚合物網(wǎng)絡(luò)中包含兩種功能的結(jié)構(gòu)，一種為負(fù)責(zé)觸發(fā)形狀記憶效果的結(jié)構(gòu)，被稱作開(kāi)關(guān)結(jié)構(gòu)，另一種為負(fù)責(zé)記憶聚合物原始形狀的結(jié)構(gòu)，稱為固定結(jié)構(gòu)。形狀記憶聚合物的基本結(jié)構(gòu)特征：118形狀記憶聚合物的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中開(kāi)關(guān)結(jié)構(gòu)可以是結(jié)晶或非晶的分子鏈或鏈段，其玻璃化轉(zhuǎn)變溫度或熔融轉(zhuǎn)變溫度(Ttrans)作為形狀記憶聚合物的開(kāi)關(guān)溫度(Ts)，也有文獻(xiàn)稱其為形狀回復(fù)溫度。固定結(jié)構(gòu)可以是作為化學(xué)交聯(lián)的化學(xué)鍵，也可以是作為物理交聯(lián)的結(jié)晶或非晶的微區(qū)結(jié)構(gòu)，或是分子鏈纏結(jié)。微區(qū)結(jié)構(gòu)作為物理交聯(lián)時(shí)其熱轉(zhuǎn)變溫度Tperm必須大于Ts。形狀記憶聚合物的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中開(kāi)關(guān)結(jié)構(gòu)可以是結(jié)晶或非晶的分子鏈或119根據(jù)固定結(jié)構(gòu)的不同類型，可以把形狀記憶聚合物分為以化學(xué)交聯(lián)為固定結(jié)構(gòu)型和以物理交聯(lián)為固定結(jié)構(gòu)型，并將其簡(jiǎn)稱為化學(xué)交聯(lián)型和物理交聯(lián)型形狀記憶聚合物。根據(jù)固定結(jié)構(gòu)的不同類型，可以把形狀記憶聚合物分為以化學(xué)交聯(lián)為120化學(xué)交聯(lián)型形狀記憶聚合物中，作為固定結(jié)構(gòu)的化學(xué)交聯(lián)鍵將分子鏈連接起來(lái)，并形成交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，固定結(jié)構(gòu)為化學(xué)交聯(lián)鍵，開(kāi)關(guān)結(jié)構(gòu)為聚合物網(wǎng)鏈?；瘜W(xué)交聯(lián)型形狀記憶聚合物中，作為固定結(jié)構(gòu)的化學(xué)交聯(lián)鍵將分子鏈121Molecularmechanismofthethermallyinducedshape-memoryeffect.Ttrans=thermaltransitiontemperaturerelatedtotheswitchingphase.Tm=TtrasMolecularmechanismofthe122在化學(xué)交聯(lián)型形狀記憶聚合物中，交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)的熔點(diǎn)或玻璃化轉(zhuǎn)變溫度為形狀記憶聚合物的開(kāi)關(guān)溫度，如形狀記憶交聯(lián)聚乙烯(即熱收縮聚乙烯)的熔點(diǎn)為其開(kāi)關(guān)溫度，而形狀記憶環(huán)氧樹(shù)脂的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度為開(kāi)關(guān)溫度?；瘜W(xué)交聯(lián)型形狀記憶聚合物的網(wǎng)鏈類型、網(wǎng)鏈長(zhǎng)短、交聯(lián)密度等結(jié)構(gòu)因素決定其熱性能、機(jī)械性能和形狀記憶性能。在化學(xué)交聯(lián)型形狀記憶聚合物中，交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)的熔點(diǎn)或玻璃化轉(zhuǎn)變溫度123

物理交聯(lián)型形狀記憶聚合物的固定結(jié)構(gòu)為相分離導(dǎo)致的微區(qū)結(jié)構(gòu)或分子鏈纏結(jié)形成的物理交聯(lián)點(diǎn)。典型的、以微區(qū)結(jié)構(gòu)為物理交聯(lián)的形狀記憶聚合物為嵌段共聚形狀記憶聚合物。線形嵌段形狀記憶聚合物，如PU、PET-PEO等PU物理交聯(lián)型形狀記憶聚合物的固定結(jié)構(gòu)為相分離導(dǎo)致的微區(qū)結(jié)構(gòu)或124線形嵌段聚合物的形狀記憶機(jī)理示意圖嵌段共聚的形狀記憶聚合物中，軟段相作為開(kāi)關(guān)結(jié)構(gòu)（回復(fù)相）而硬段富集相作為固定結(jié)構(gòu)（固定相）。回復(fù)相既可以是無(wú)定形相也可以是結(jié)晶相，其玻璃化轉(zhuǎn)變溫度或熔融轉(zhuǎn)變溫度作為形狀記憶效應(yīng)的開(kāi)關(guān)溫度。回復(fù)相的熱轉(zhuǎn)變溫度小于固定相的熱轉(zhuǎn)變溫度。線形嵌段聚合物的形狀記憶機(jī)理示意圖嵌段共聚的形狀記憶聚合物中125具有相分離結(jié)構(gòu)的接枝共聚物，如聚乙烯－聚己內(nèi)酰胺接技共聚物在此接枝共聚形狀記憶聚合物中，聚己內(nèi)酰胺的熔點(diǎn)為220℃左右，聚己內(nèi)酰胺微區(qū)作為固定相分散在聚乙烯基體中。聚乙烯作為回復(fù)相，其熔點(diǎn)120℃左右，這一溫度作為聚乙烯－聚己內(nèi)酰胺接枝共聚物的形狀記憶的開(kāi)關(guān)溫度。接枝共聚形狀記憶聚合