周卓凡智能高分子

智能高分子主讲人：周卓凡概述1.1智能材料定义：外界环境刺激因素包括温度、压力、声波、离子、电场、磁场和溶剂等，在这些刺激因素影响下，智能材料能产生有效响应，使自身的一些性质，如相态、形状、光学性能、力学性能、电学性能、体积、表面积等随之发生变化。实例：形状记忆材料智能修复材料智能调温材料智能调光材料各种传感器材料隐身材料......表1-智能材料的分类智能高分子材料智能高分子定义：智能高分子是一类当受到外界环境的物理、化学乃至生物信号变化刺激时，其某些物理或化学性质会发生突变的高分子。”刺激响应性高分子““环境敏感性高分子”（1）智能高分子凝胶

智能高分子凝胶是一种三维高分子网络和溶剂组成的体系。这类高分子凝胶材料可随环境的变化而产生可逆的、非连续的体积变化。根据溶胀剂不同两类：高分子水凝胶高分子有机凝胶用途

高分子凝胶的溶胀收缩循环可用于化学阀吸附分离、传感器和记忆材料。循环提供的动力可用于设计化学发动机，网孔的可控性可用于药物释放体系。（2）形状记忆高分子材料

形状记忆高分子材料是具有形状记忆效应的一类新型智能高分子材料。制备方法：

一、物理方法：热致感应型形状记忆高聚物一般是在已赋型后，加热到一定的温度，施加外力使其变形，在变形状态下冷却，冻结应力，当再次加热到一定温度时，材料的应力释放，使其自动回复到原来的赋型状态。热致感应型SMP应该具备基本特征：材料有无定型(固定相)和结晶(可逆相)两相结构，并且在玻璃化转变温度(Tg)或熔点(Tm)以上的较宽温度范围内呈现高弹态。

二、化学方法：利用结晶或半结晶高分子材料经过辐射交联或化学交联后形成的。用途

医学方面

形状记忆高分子树脂可代替传统的石膏绷带，具有生物交接的形状记忆高分子材料可以用作组合缝合器材、止血钳等。

航空方面

形状记忆高分子树脂被用于记忆的振动控制。

其他方面热收缩膜和热收缩管

（3）智能织物

具有智能性的织物。防水透湿、温度调节、形状记忆、颜色变化等。

压力绷带。这类织物具有可逆收缩，受潮湿时收缩，干燥后恢复到原始尺寸，湿态收缩率可达35%。在血液中收缩，在伤口所产生的压力有止血作用，绷带干燥时压力消除。调温纤维(4)智能高分子膜

这类一类用高分子凝胶制成的膜，能实现可逆变形，并能承受一定的压力。它的智能化是通过膜的组成、结构和形态来实现的。用途：智能分离材料、医学材料等响应因素：温度、PH、分子、电场、光、压力等

(5)智能高分子复合材料

◆新的高分子复合材料具有自愈合、自应变等功能。在航空领域，用复合材料制成的贴在机翼上的“智能皮”，能取代飞机起飞、转向、降落所必须的尾翼和各襟翼。◆在建筑方面领域智能复合材料的自诊断、自调节、自修复功能，可用来快速检查环境温度、湿度，取代温控线路和保护线路。

凝胶及高分子凝胶

凝胶及凝胶现象在大自然中普遍存在。自然界的一些生物（如海参等）的原始器官主要为水凝胶，它能够对外界的刺激迅速做出响应，是柔软的躯体瞬间变得僵硬，或部分体壁变为粘性物质。

20世纪90年代中期，Keller为广义的凝胶做了一个较为全面而准确的定义：

凝胶是由一种包含液体，能够自我维持稳定的分散体系，由单链或大的分子聚集体构成的连续网络结构。

凝胶的分散介质也可以是气体或固体。智能高分子凝胶■高分子凝胶由三维网络结构的高分子和溶胀剂组成，网络可以吸收溶胀剂而溶胀。智能高分子凝胶的应用1智能药物释放系统2人工肌肉系统3智能高分子分离材料4组织工程材料智能药物释放系统

智能药物释放系统是指在某些物理刺激（如温度、光、超声波、微波、和磁场等）或化学刺激（如PH值、葡萄糖等）作用下可释放药物的系统，而且能由体外的光、电、磁和热等物理信号遥控体内的刺激响应性药物，使其向信号集中的特定部位靶向释放。高分子凝胶载药系统药物释放途径：（1）随高分子凝胶的降解而释放；此途径为生物降解型。（2）通过高分子凝胶的膨胀扩散而释放；此途径中溶液中的渗透物质渗透进载药体系，聚合物膨胀，药物扩散释放出来。（3）高分子凝胶载体表面化学释放壳聚糖是一种天然高分子材料，具有良好的生物降解性与生物相容性。以壳聚糖为骨架材料，戊二醛为交联剂，采用悬浮交联聚合法制备了高分子微球，并用磷脂和多糖等物质对其进行了包膜，制备了广谱抗癌药氟尿嘧啶的温度名感性与靶向性微球。当温度高于壳聚糖凝胶微球的相转变温度42℃时，药球的释放呈持续增加趋势。而当温度降至37℃时释放量迅速减少，基本达到了药物释放ON-OFF开关的目的。人工肌肉生物体肌肉的源泉是肌动蛋白-肌球蛋白体系通过三磷酸腺苷（ATP）将化学能直接转变成机械能，其效率可高达40%~50%.此时1分子ATP水解所产生的自由能要比热大10余倍。鉴于肌肉的运动体现了等温条件下化学能直接转变为机械能，这就促使许多科学家从事等温条件下操作的化学运动源的研究，试图开发各种功能性或智能型的材料已达到模仿生物体肌肉运动的目的。应用——“人工鱼”人工章鱼高分十分离膜的智能性通常表现为，当渗透介质的性质或周围环境发生变化时，智能膜材可以感知这种变化并相应调节其选择渗透性能。引起膜材响应的刺激信号有多种，大致可分为物刺激信号如温度、湿度、电、光、磁、力等以及化学刺激信号如PH值、化学物质等。温敏型分离膜闭孔开孔高分子凝胶分离材料

组织工程材料组织工程是运用工程科学与生命科学的基本原理和方法，研究与开发生物体替代材料来恢复、维持和改进组织功能的技术。其基本思路是首先在体外分离、培养细胞，然后将一定量的细胞种植到具有一定形状的三维生物材料骨架内，并加以持续培养，最终形成具有一定结构的组织和器官。与传统的移植和重建等高价治疗方法相比，组织工程所提供的组织替代材料比器官移植便宜得多，且更适应治疗个体化的发展。目前这一领域正快速发展。细胞培养基质

通常细胞的培养是在培养皿上进行的，细胞增殖后，通过一种叫胰蛋白酶的物质消化切断细胞与底物间的粘连，但这不可避免地影响细胞的某些功能。科学家们巧妙地利用了温敏性高分子水凝胶。他们将聚异丙基丙烯酰胺接枝到聚苯乙烯培养板表面形成一层薄膜，将小牛的内皮细胞或鼠的肝细胞在凝胶表面层于37℃培养。在37℃下，凝胶表面呈现疏水性，能与细胞很好地粘附。当细胞成熟后，将温度降至20℃，由于凝胶表面变得亲水，细胞可自动从表面脱附，见图1。智能粘合剂

利用高分子表面的环境响应特性可设计智能粘合剂——两亲性粘合剂。通常的粘合剂对极性与非极性基材的普适性差。姚康德等根据高分子表面环境响应性设计与合成了聚氨酯交联聚丙烯酸酯粘合剂(PUA)，由动态接触角研究表面，它对极性（如聚氯乙烯）和非极性（如聚乙烯）基材的粘合性与粘合剂网络中极性和非极性组分响应相关。表面响应性敏感高分子高分子表面的环境响应性高分子材料与金属、陶瓷材料等无机材料相比具有较大的柔韧性。与介质接触时，高分子材料特别是多相高分子体系的非相容部分在表面的官能团、表面形态、甚至一定深度的结构单