1、 1第第4章章 智能高分子材料智能高分子材料 24.1概述概述分子结构分子结构(包括支链结构包括支链结构)、聚集态结构、聚集态结构、共混、复合、界面共混、复合、界面表面表面外观结构外观结构概念概念 3自然界：自然界：网状结构网状结构的高聚物和水组成的高聚物和水组成 4人工材料：人工材料：聚丙烯酰胺聚丙烯酰胺 5(1)(1)智能高分子凝胶智能高分子凝胶 刺激响应性高分子凝胶刺激响应性高分子凝胶 受到环境刺激时会随之响应，发生结构、受到环境刺激时会随之响应，发生结构、物理性质、化学性质变化的凝胶。物理性质、化学性质变化的凝胶。6(2)智能药物释放体系智能药物释放体系 7(3)(3)记忆功能高分子材
2、料记忆功能高分子材料(4)(4)智能高分子膜智能高分子膜形状记忆形状记忆 8（5 5）聚合物电流变流体）聚合物电流变流体（6 6）智能织物）智能织物 94.2 高分子凝胶及体积相转变高分子凝胶及体积相转变复合体系复合体系体积相转变：体积相转变：体系内各种相互作用力相互结合和竞争的结果。体系内各种相互作用力相互结合和竞争的结果。10范德华力范德华力 静电相互作用力静电相互作用力氢键氢键 11(4)疏水相互作用力疏水相互作用力温度较低温度较低水分子在疏水性基团周围形成团簇水分子在疏水性基团周围形成团簇温度升高至相变温度温度升高至相变温度凝胶网络为凝胶网络为疏水基团保护疏水基团保护异丙基异丙基疏水基
3、团疏水基团 124.3高分子凝胶的刺激响应性高分子凝胶的刺激响应性4.3.1物理刺激响应性物理刺激响应性(1)温敏性凝胶温敏性凝胶温度的变化影响了其中的疏水基团的疏水作温度的变化影响了其中的疏水基团的疏水作用以及大分子链间的氢键作用用以及大分子链间的氢键作用低临界溶解温度低临界溶解温度LCST 13高温收缩型高温收缩型聚异丙基丙烯酰胺聚异丙基丙烯酰胺(PNIPA)机理：疏水基团的疏水作用。机理：疏水基团的疏水作用。低温收缩型低温收缩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)网络互穿形成的聚合物水凝胶网络互穿形成的聚合物水凝胶 机理：氢键的形成与断
4、裂。机理：氢键的形成与断裂。14(2)光敏感性凝胶光敏感性凝胶光敏感分子的经光辐照后光敏感分子的经光辐照后发生光异构化，伴随几何结构的改变发生光异构化，伴随几何结构的改变光敏感分子发生光解离作用光敏感分子发生光解离作用(即遇光分解即遇光分解产生的离子化产生的离子化)，使凝胶内外离子浓度差，使凝胶内外离子浓度差改变改变 15(3)磁场敏感性凝胶磁场敏感性凝胶施加磁场时施加磁场时铁磁体发热铁磁体发热诱发溶胀诱发溶胀或收缩或收缩 16(4)电场敏感性凝胶电场敏感性凝胶聚电解质凝胶聚电解质凝胶自由离子自由离子定向定向移动移动：凝胶内不同部位凝胶内不同部位pH值不同值不同影响影响电离状态电离状态凝胶内外
5、离子浓度不均凝胶内外离子浓度不均渗透压变化渗透压变化 17 184.3.2 化学刺激响应性化学刺激响应性(1)pH敏感性凝胶敏感性凝胶 19(1)pH敏感性凝胶敏感性凝胶聚丙烯酸（羧基电离）聚丙烯酸（羧基电离）20(2)化学物质响应凝胶化学物质响应凝胶胰岛素释放体系胰岛素释放体系对葡萄糖响应对葡萄糖响应 21 224.3.3 双重响应智能凝胶双重响应智能凝胶(1)温度和温度和pH敏感凝胶敏感凝胶异丙基丙烯酰胺异丙基丙烯酰胺 丙烯酸丙烯酸 234.3.3 双重响应智能凝胶双重响应智能凝胶(2)热、光敏感凝胶热、光敏感凝胶PNIPA和叶绿酸网络组成的凝胶和叶绿酸网络组成的凝胶 24(3)pH、光敏
6、感凝胶、光敏感凝胶 25(4)磁性、热敏感凝胶磁性、热敏感凝胶 264.4 智能高分子凝胶的应用智能高分子凝胶的应用（1）分离功能材料）分离功能材料分离机理分离机理扩散分离扩散分离吸附分离和络合分离吸附分离和络合分离 27优点：优点：28污泥脱水污泥脱水聚乙烯基甲基醚聚乙烯基甲基醚(PVME)应应 用用 29生物分离生物分离电解质的浓缩分离：电解质的浓缩分离：螯合基螯合基团团(羧基羧基)可与二价金属离子形成配合物可与二价金属离子形成配合物凝胶收缩凝胶收缩捕获金属离子捕获金属离子溶胀释放溶胀释放金属离子金属离子 30(2)运动功能材料运动功能材料单丝收缩应力单丝收缩应力2.94mN人工肌肉人工肌
7、肉聚乙烯基甲基醚聚乙烯基甲基醚(PVME)水凝胶水凝胶赋形用高赋形用高分子分子 31(3)生物反应器酶的活性控制生物反应器酶的活性控制自动控制自动控制:人为控制人为控制淀粉转葡糖苷酶的活性控制淀粉转葡糖苷酶的活性控制 32(4)细胞培养基质细胞培养基质37 培养培养凝胶表面呈现疏水性，与细胞很好地粘附凝胶表面呈现疏水性，与细胞很好地粘附温度降至温度降至20凝胶表面变得亲凝胶表面变得亲水，细胞自动从表面脱附水，细胞自动从表面脱附降温降温 33(5)在组织工程中的应用在组织工程中的应用凝胶凝胶作为组织重建和植入的人工细胞外基质作为组织重建和植入的人工细胞外基质软骨细胞软骨细胞/胶原复合材料胶原复合
8、材料植入鼠体植入鼠体4周后形成新周后形成新成熟软骨成熟软骨 34(6)调光材料调光材料对激光的透过能力调节对激光的透过能力调节参数可调控光学镜片参数可调控光学镜片电场敏感凝胶电场敏感凝胶外加电场下外加电场下表面凸出或凹陷表面凸出或凹陷调节材料调节材料的焦距的焦距 35(7)可视化光学传感材料可视化光学传感材料机理机理聚合物微球结晶胶聚合物微球结晶胶体阵列体阵列(PCCA)36智能聚合结晶胶体阵列智能聚合结晶胶体阵列(IPCCA)葡萄糖传感器葡萄糖传感器H)(Gox)(Gox葡糖酸还原葡萄糖氧化 37(8)表面图案技术表面图案技术金溅涂在聚异丙基丙烯酰胺表面金溅涂在聚异丙基丙烯酰胺表面金方格阵列金方格阵列光栅光栅体积相转变体积相转变狭缝尺度改变，衍射狭缝尺度改变，衍射图案随之改变图案随之改变药物包埋在凝胶或药物包埋在凝胶或由凝胶制成的胶囊中由凝胶制成的胶囊中(9)药物释放载体药物释放载体
