纳米聚合物水凝胶

纳米聚合物水凝胶帕特里克schexnailder和古德施密特摘要技术需要新的和更软材料以及推动新知识基本的了解，导致了重大进展在该领域的纳米复合凝胶。各种复杂的凝胶结构具有独特的化学，物理，生物性能已设计或发现的纳米。可能形成自组装使有机聚合物和超分子形态无机纳米粒子的基石的设计水基凝胶。在这次审查中，我们强调的最新（2004–2008）成就和趋势在创造性的方法来产生结构，性能，和功能在大多数生物技术的应用。我们审查的影响，出版工作总结与大纲的未来发展方向和挑战与设计和工程的新材料凝胶。关键词水凝胶,纳米复合材料,纳米颗粒,聚合物,硅酸盐,金属纳米粒子景区简介最近的进展，化学，物理，生物域结合在生物医学和增长的需求医药行业带来了新的发展纳米复合水凝胶的许多不同的应用。新型聚合物化学和配方以及制造和加工技术支持改进仪器，可以测量和操纵物质在纳米水平[1]。理论工作好指南和补充，但是，有时，与实验在跨学科的合作研究迫使科学家边界。纳米和生物技术提供发展机会的复杂和优化软材料与协同性能。可能性控制化学和物理性能的设计三维凝胶结构提供了一个强大的战略多功能工程纳入到凝胶的纳米尺度。本次审查的范围是划定的结构和性能的纳米复合水凝胶的主要合成材料。大多数合成水凝胶纳米复合材料的出版物集中系统聚（环氧乙烷），聚（丙烯酰胺），或聚（乙烯基酒精）作为聚合物。因此，水凝胶纳米复合材料含有这些聚合物将得到了广大我们的注意在本次审查。此外，我们还将讨论聚合物–金属，聚合物–磁性，和天然聚合物纳米复合水凝胶。专利文献是不包括在这个搜索。由于纳米复合聚合物水凝胶有时难以分类相比，纳米复合材料凝胶，在这里我们使用一个更简化定义根据魏斯和terech，“……如果它看起来如“果冻”，它必须是一个凝胶！“[2]许多定义凝胶可用，和研究人员并不总是同意什么是一个水凝胶。因此，我们将回顾文献的基础上纳米复合水凝胶和凝胶制成的各种聚合物和无机纳米粒子的大小不同。我们没有任何区别的凝胶和水凝胶。我们将使用条款一样出现在出版物一般来说，纳米复合聚合物水凝胶可定义为交联聚合物网络肿水的存在，纳米粒子或纳米结构。聚合物交联形成网络通过化学或物理的相互作用（图1）。化学交联由于共价键是永久的。物理相互作用是非共价性质，常因氢键，疏水性，和离子相互作用。交联聚合物网络能够可逆体积变化的响应外界刺激，如组成[由于（德）肿胀]，温度，和pH值。纳米粒子的存在，可以用来要么交联凝胶，吸附或附着于聚合物链，或添加新特性的水凝胶的仅仅是包埋在水凝胶网络。纳米粒子的添加独特的物理特性的聚合物水凝胶等响应机械，光，热，屏障，声，磁，电刺激，等。这些独特的属性导致应用在电子，光学，传感器，执行器和微，以及催化，分离设备，药物输送，和许多其他生物技术领域。组合配方合成和天然聚合物与纳米粒子和生物分子图1聚链吸收脱附的表面锂皂石粒子。插图：循环火车是网站的物理之间的互动聚和锂皂石形成聚壳（阴影区）周围锂皂石核心（光盘）。人的尾巴桥之间的多锂皂石粒子，使锂皂石的功能作为一个物理交联剂[4，5]。高分子（聚丙烯酰胺和乙凝胶）是化学键在表面的锂皂石在自由基聚合过程[28，29]。三列入金属纳米粒子（即，银，金）分散在聚合物水凝胶可以提高电导和微生物性能[23，47]。除了被分散，纳米颗粒也可以作为交联（物理和化学）代理[4，5，28，29，74]。聚合物–磁性纳米复合材料，用粒子在聚合物基体（在分散和/或交联聚合物链），可以用于远程释放药物[27，57]。电子负带电纳米二氧化硅在一个固定的潘矩阵。外加电场电渗流动的原因二氧化硅微粒，和粘性阻力在流体中的结果大众运输的中性溶质（药物，蛋白质，小等。）比凝胶孔径[42]。女模板共聚物凝胶纳米粒子居住在间的空间关系邻近的胶束[18，19]协同可结合有利的化学，物理和生物特性，生产纳米复合材料水凝胶，支持修复和再生的人类组织机构职能。我们将审查最近的纳米复合水凝胶材料和例子组织工程和近期发展重点除了什么是所涵盖的其他评论[3]。最后，我们的结论一个简要概述未来的观点和挑战，推动发展新的纳米复合材料聚合物水凝胶。聚合物/硅酸盐纳米复合材料的凝胶将硅酸盐纳米粒子添加机械强度水凝胶材料。然而，带电粒子，如硅酸盐，可能由于在水中脱落容易对胶体相互作用的稳定产生的凝胶。纳米粒子，既不带电不稳定的盐或聚合物通常骨料。这种总量强烈影响纳米复合材料的形态结构水凝胶及其力学性能。制备稳定的水凝胶，纳米粒子需要很好的分散和由此产生的大规模结构需要控制。有鉴于此，硅酸盐为主添加到聚（环氧乙烷）和聚（丙烯酰胺）矩阵函数作为交联剂和改善网络的力量。聚（环氧乙烷）–硅酸盐纳米复合材料出版工作的凝胶制成的聚（环氧乙烷）（聚）和硅酸盐纳米粒子可以追溯到一个十年；因此，研究重点在本次审查的基础上探索性研究和材料的发展做了过去的。自那时起，从纳米复合水凝胶锂皂石（=硅酸盐薄片，30纳米的直径，1纳米厚度）和聚已被用来作为模型系统这些研究聚合物–纳米粒子的相互作用和剪切定位在一个更根本的层面。硅酸盐纳米板（辉石）是合成和板状聚离子均匀地分散在水中，作为多功能交联聚。交联是可逆的由于聚合物容易吸附和解吸从纳米粒子的表面。而聚合物性能详细研究，具体之间的相互作用聚硅酸盐不明确。然而，大多数科学家同意，氢键，离子，偶极子，和其他相互作用，如聚合物纠纷必须发挥作用时，交联的硅酸盐发生。更多的定量研究·和·[4，5]的建议人民吸附锂皂石粒子，形成一个紧凑层主要是培养和环上的纳米颗粒和大环周围的边缘粒子（图1）。水凝胶的结构和粘弹性性能调谐通过改变参数，如组成，酸碱度，温度，离子强度。例如，通过改变该锂皂石和乙烯成分，会产生解决方案，流动的凝胶，凝胶或水凝胶握手，永可膨胀的水除了–[69]。本剪切诱导凝胶凝胶是可逆的，掌握强烈依赖于环氧乙烷浓度，时间，温度，和分子量[6，7，10]。按照这一发表的研究，剪切变形大聚–锂皂石总量和揭露新的表面积为形成新的聚合物，它迅速形成一个网络，跨越整个解决方案和形式凝胶。当震动停止，热波动足以脱附的聚合物纳米粒子，和水凝胶放松回流体经过一些时间。应用剪不高到足以克服随机效应所造成的聚合物和纳米粒子松弛的。动力学的凝胶形成的辉石–聚分散不同的聚合物的分子量（兆瓦）是研究了用流变[8]。该机制的凝胶形成被认为是时间依赖性。其他工作由同一组折返行为从软固体，液体回软固体聚分子体重增加[11]。公布的文件数据和瓦格纳[12]提出的粘弹性松弛锂皂石–行为的聚（环氧乙烷）凝胶超过浓度范围。时间–温度和时间–浓度叠加应用到产生流变主曲线。除了对锂皂石聚合物浓溶液的弛豫时间增加但降低弹性模量，这是由于聚合物吸附架桥。在高聚合物浓度和锂皂石，loizou等铝。[9]报道强凝胶与口香糖一样的一致性。本聚合物涂层硅薄片被发现动态地栓在一起松散的束形式分形结构与“毛孔”到千分尺政权。一个骨骼结构的纳米微米尺度将帐户缺乏流动在凝胶含有质量分数95%水。交联物理（非共价）由于氢结合，偶极子，离子，和其他的相互作用，将聚合物链的纳米粒子。交联水凝胶是可逆的，因为在变形，该聚合物链可能附加和分离从纳米粒子。水凝胶通常剪薄，财产使他们中的一些注射用注射器。后停止剪切，结构和刚度分析胶体聚合物科学（2009）287:1–113水凝胶完全恢复在几秒钟内，这表明自愈性能[13]。剪切诱导微米结构观察loizou等人。符合以往的研究类似的系统观察短暂微米尺度的非均质性[14]的发展过程中的剪切和消失后，停止剪切。而在这种情况下剪切可引起的发展新的结构，它也有可能是已经存在的结构可能消失。例如，研究了Bryun这样等人。[15]。显示存在的微米大小的聚–辉石聚合水凝胶分手和消失的上方临界剪切速率。总结，审查工作的集体表明之间的相互作用聚硅（锂皂石）纳米粒子的强烈影响的剪有助于复杂的行为，这些水凝胶。软，橡胶的一致性和灵活性改变机械特性使这些水凝胶的潜力候选人的许多技术的应用，其中生物医学技术。然而，很少应用报道尽管极大的兴趣，基础研究。在这些应用程序之一，高桥等人。[16]表明一个改性聚–辉石系统开发为一个药物输送系统在生理条件。一个更广泛的各种应用提到胶体分散（有吸引力的凝胶制成的纳米颗粒）膨润土（天然层状硅酸盐）和乙烯聚合物。溶胶凝胶–相图的水清楚地表明凝胶作为一个功能的成分，虽然尚不清楚这些凝胶的三维稳定结构所需的水凝胶。屈服应力的凝胶和溶胶凝胶过渡–有用的性质，如石油技术应用钻井，减摩剂，添加剂的混凝土，砂浆剪切增稠和乳液，涂料，化妆品，和药品[17]。更精确的空间和取向定位纳米粒子在一个水凝胶矩阵可以通过使用嵌段共聚物代替均聚物水凝胶。嵌段共聚物凝胶施加液体结晶秩序的纳米粒子，不selfassemble在他们自己的[18]。例如，纳米复合材料水凝胶基于聚（聚苯醚）––聚氧化乙烯嵌段共聚物和球形纳米硅酸（7纳米）已被调查的形成模板纳米阵列[19]。各向同性液体结晶相过渡丙烯型聚–多酚氧化酶–聚乙二醇水凝胶可用于分散和二氧化硅纳米颗粒在纳米尺度（图1楼）[18]。剪是用来调整对纳米复合水凝胶宏观晶体领域。圆柱形胶束模板所报告的波佐和[19]就可以用于形成线性阵列纳米可能允许未来制造线性波导。类似的方位在聚–多酚氧化酶–聚嵌段共聚物交联与锂皂石表明，多酚氧化酶部分优先吸附到锂皂石表面，离开聚部分悬挂从纳米粒子[20]。总的来说，嵌段共聚物纳米复合水凝胶可设计有先进的新特性，通过自组装同行，均没有。聚（丙烯酰胺）–和聚（乙烯醇）–硅酸盐纳米复合材料本研究硅酸盐–聚水的相似之处，聚（丙烯酰胺）（潘）-凝胶聚（nisopropyl等丙烯酰胺）（链）在许多方面。本之间的相似性和差异硅酸盐交联认证和PAM躺在高分子化学控制结构与性能。水凝胶的基础上系统可能显示灵敏度对外部刺激，如酸碱度，光，溶剂，温度，压力，机械，电力，和磁域–[2127]。化学交联pam-based聚合物（例如，凝胶或聚丙烯酰胺）硅酸盐纳米粒子（锂皂石，蒙脱土，导致纳米复合水凝胶等）一系列的特性，吸引了许多研究人员（附图）。具体来说，热敏线圈到球过渡的低临界溶解温度潘聚合物的兴趣。合成水凝胶常需要聚合开始从硅酸盐，其次是形成表面刷状硅酸盐。而刷聚合物变长，他们互连几种硅酸盐纳米粒子形成交联聚合物网络[28，29]。haraguchi李[30，31]的结构相比，有机交联（或）凝胶与锂皂石交联凝胶纳米（数控）凝胶。这个小组发现一些交联单位空间是700倍以上的或凝胶相比在数控水凝胶。或凝胶具有广泛分布的高分子链的长度之间的许多交联点建设高局部应力下的变形容易骨折。然而，也有类似的聚合物凝胶数控链的长度和分布更均匀锂皂石的交联剂避免定位过程中的应力变形表现出非凡的力学性能。聚丙烯酰胺聚合物链更灵活比异丙基丙烯酰胺聚合物，从而导致不同的弹性恢复，滞后，抗拉强度和伸长率，[28]。空间均匀性可以通过测量光学透明性或散射技术。聂等人。[32，33]的研究网络结构，一定程度的空间不均匀性，和链动力学。这是确定的热波动纳米粒子主要是抑制网络形成和链动力学是更多或更少4种胶体聚合物科学（2009）287:1–11独立的交联剂。总的来说，这些研究表明，有效功能的锂皂石交联剂大约是50，这一高功能以及大型相关长度产生的大尺度结构导致优秀的机械性能–[30,34]。亩，郑[35]制备凝胶凝胶被交联疏水多面体低聚倍半硅氧烷（波斯）。这些水凝胶表现出明显的改进的温度膨胀/de-swelling动力学。此外，硅氧烷交联剂增加机械强度的水凝胶，从而允许为增加一些肿胀/de-swelling周期没有明显的降解水凝胶。膨胀/de-swelling硅氧烷水凝胶的凝胶–快得多（分钟与小时）比–锂皂石水凝胶的凝胶，但这种改善特别是在较高的交联剂浓度[31，35]。最近比较的溶胀行为水凝胶的交联不同硅酸盐（凹凸棒石，高岭土，云母，蛭石和蒙脱石，）。本作者报告说，用于交联型硅酸盐聚丙烯酰胺影响的膨胀性能和热稳定性水凝胶以及聚合反应机制。因此，交联剂的选择应基于应用的水凝胶。比如说呢蒙脱土