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，智能材料能產生有效響應，使自身的一些性質，如相態(tài)、形狀、光學性能、力學性能、電學性能、體積、表面積等隨之發(fā)生變化。實例：形狀記憶材料智能修復材料智能調溫材料智能調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受到外界環(huán)境的物理、化學乃至生物信號變化刺激時，其某些物理或化學性質會發(fā)生突變的高分子?！贝碳ろ憫愿叻肿印啊碍h(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絡和溶劑組成的體系。這類高分子凝膠材料可隨環(huán)境的變化而產生可逆的、非連續(xù)的體積變化。根據溶脹劑不同兩類：高分子水凝膠高分子有機凝膠用途

高分子凝膠的溶脹收縮循環(huán)可用于化學閥吸附分離、傳感器和記憶材料。循環(huán)提供的動力可用于設計化學發(fā)動機，網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，凍結應力，當再次加熱到一定溫度時，材料的應力釋放，使其自動回復到原來的賦型狀態(tài)。熱致感應型SMP應該具備基本特征：材料有無定型(固定相)和結晶(可逆相)兩相結構，并且在玻璃化轉變溫度(Tg)或熔點(Tm)以上的較寬溫度范圍內呈現高彈態(tài)。

二、化學方法：利用結晶或半結晶高分子材料經過輻射交聯或化學交聯后形成的。用途

醫(yī)學方面

形狀記憶高分子樹脂可代替?zhèn)鹘y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，受潮濕時收縮，干燥后恢復到原始尺寸，濕態(tài)收縮率可達35%。在血液中收縮，在傷口所產生的壓力有止血作用，繃帶干燥時壓力消除。調溫纖維(4)智能高分子膜

這類一類用高分子凝膠制成的膜，能實現可逆變形，并能承受一定的壓力。它的智能化是通過膜的組成、結構和形態(tài)來實現的。用途：智能分離材料、醫(yī)學材料等響應因素：溫度、PH、分子、電場、光、壓力等

(5)智能高分子復合材料

◆新的高分子復合材料具有自愈合、自應變等功能。在航空領域，用復合材料制成的貼在機翼上的“智能皮”，能取代飛機起飛、轉向、降落所必須的尾翼和各襟翼。◆在建筑方面領域智能復合材料的自診斷、自調節(jié)、自修復功能，可用來快速檢查環(huán)境溫度、濕度，取代溫控線路和保護線路。

凝膠及高分子凝膠

凝膠及凝膠現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，它能夠對外界的刺激迅速做出響應，是柔軟的軀體瞬間變得僵硬，或部分體壁變?yōu)檎承晕镔|。

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

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成的連續(xù)網絡結構。

凝膠的分散介質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絡結構的高分子和溶脹劑組成，網絡可以吸收溶脹劑而溶脹。智能高分子凝膠的應用1智能藥物釋放系統2人工肌肉系統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

智能藥物釋放系統是指在某些物理刺激（如溫度、光、超聲波、微波、和磁場等）或化學刺激（如PH值、葡萄糖等）作用下可釋放藥物的系統，而且能由體外的光、電、磁和熱等物理信號遙控體內的刺激響應性藥物，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散而釋放；此途徑中溶液中的滲透物質滲透進載藥體系，聚合物膨脹，藥物擴散釋放出來。（3）高分子凝膠載體表面化學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，戊二醛為交聯劑，采用懸浮交聯聚合法制備了高分子微球，并用磷脂和多糖等物質對其進行了包膜，制備了廣譜抗癌藥氟尿嘧啶的溫度名感性與靶向性微球。當溫度高于殼聚糖凝膠微球的相轉變溫度42℃時，藥球的釋放呈持續(xù)增加趨勢。而當溫度降至37℃時釋放量迅速減少，基本達到了藥物釋放ON-OFF開關的目的。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）將化學能直接轉變成機械能，其效率可高達40%~50%.此時1分子ATP水解所產生的自由能要比熱大10余倍。鑒于肌肉的運動體現了等溫條件下化學能直接轉變?yōu)闄C械能，這就促使許多科學家從事等溫條件下操作的化學運動源的研究，試圖開發(fā)各種功能性或智能型的材料已達到模仿生物體肌肉運動的目的。應用——“人工魚”人工章魚高分十分離膜的智能性通常表現為，當滲透介質的性質或周圍環(huán)境發(fā)生變化時，智能膜材可以感知這種變化并相應調節(jié)其選擇滲透性能。引起膜材響應的刺激信號有多種，大致可分為物刺激信號如溫度、濕度、電、光、磁、力等以及化學刺激信號如PH值、化學物質等。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用工程科學與生命科學的基本原理和方法，研究與開發(fā)生物體替代材料來恢復、維持和改進組織功能的技術。其基本思路是首先在體外分離、培養(yǎng)細胞，然后將一定量的細胞種植到具有一定形狀的三維生物材料骨架內，并加以持續(xù)培養(yǎng)，最終形成具有一定結構的組織和器官。與傳統的移植和重建等高價治療方法相比，組織工程所提供的組織替代材料比器官移植便宜得多，且更適應治療個體化的發(fā)展。目前這一領域正快速發(fā)展。細胞培養(yǎng)基質

通常細胞的培養(yǎng)是在培養(yǎng)皿上進行的，細胞增殖后，通過一種叫胰蛋白酶的物質消化切斷細胞與底物間的粘連，但這不可避免地影響細胞的某些功能?？茖W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，將小牛的內皮細胞或鼠的肝細胞在凝膠表面層于37℃培養(yǎng)。在37℃下，凝膠表面呈現疏水性，能與細胞很好地粘附。當細胞成熟后，將溫度降至20℃，由于凝膠表面變得親水，細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)境響應特性可設計智能粘合劑——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。姚康德等根據高分子表面環(huán)境響應性設計與合成了聚氨酯交聯聚丙烯酸酯粘合劑(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絡中極性和非極性組分響應相關。表面響應性敏感高分子高分子表面的環(huán)境響應性高分子材料與金屬、陶瓷材料等無機材料相比具有較大的柔韌性。與介質接觸時，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、表面形態(tài)、甚至一定深度的結構單