分子凝胶

制作人：仲港尚磊钱鹏演讲人：张桂芳智能高分子材料属于智能材料(intelligentmaterial)的范畴。智能材料是指对环境可感知、响应,并且具有发现能力的新材料。智能材料的研究与开发正孕育着新一代的技术革新。智能材料包括金属智能材料、无机非金属智能材料和高分子智能材料,其中高分子智能材料包括智能高分子凝胶、智能高分子复合材料和智能高分子膜材料等,目前研究最广的是智能高分子凝胶。能高分子凝胶是一种随环境的变化而相应变化的高分子材料，是物理或化学方法交联形成的三准网络结构，目前国内外制备智食高分子凝胶主要包括物理交联和化学交联方法，由于其对周围环境具有响应特性，所以，在力学，电磁学，生物学以及光电学领域得到了广泛的研究。高分子凝胶是由具有三维交联网络结构的聚合物与低分子介质共同组成的多元体系,其大分子主链或侧链上含有离子解离性、极性或疏水性基团,对溶剂组分、温度、pH值、光、电场、磁场等的变化能产生可逆的、不连续(或连续)的体积变化,所以可以通过控制高分子凝胶网络的微观结构与形态,来影响其溶胀或伸缩性能,从而使凝胶对外界刺激作出灵敏的响应,表现出智能。1949年,Katchalsky首次发现了对pH值有收缩响应的高分子凝胶,并制成了pH值和离子强驱动的机械系统,直接把化学能转换成机械能,从而成为智能高分子凝胶研究的开端。1978年,Tanaka发现:部分离子化聚丙烯酰胺凝胶在水/丙酮混合溶剂中,可以发生不连续的体积相转变。1984年,Tanaka又发现了聚N-异丙基丙烯酰胺(N-isopropylamide)在32℃左右存在体积相变。Tanaka等研究证明:在所有的凝胶/溶剂体系中,这是一种普遍现象,在适当的区域实验可以绘制出相图,并指出了凝胶对刺激响应的多样性。基于Katchalsky、Tanaka等人的开创性研究,智能高分子凝胶研究已成为高分子科学研究的热点之一。根据高分子凝胶溶胀及退溶胀的渗透压公式,渗透压由高分子链与溶剂的相互作用、高分子链的橡胶弹性和高分子凝胶内外离子浓度差构成。当这三者之间达到平衡时,高分子凝胶呈平衡状态。温度、pH值、无机盐的浓度、溶剂的性质对溶胀平衡都有影响,在一定的外界刺激下,凝胶会因为溶液性质的微小变化而引起极大的体积变化,即所谓的凝胶体积相变,这就是智能高分子凝胶对外界刺激作出响应的依据。利用高分子凝胶受外界环境刺激而变形的特性,人们设想出各种各样的化学能—机械能转变装置,例如药物释放系统、化学阀、化学机械、人工触觉系统、光阀、人工肌肉和执行元件等,引起了世界各国众多研究者的兴趣。药物释放系统(DDS)化学机械化学阀人工触觉系统探索新的药物释放系统,以克服等速释放所产生的允许剂量问题,而实现必要的药物剂量在必要的时间、必要的空间释放。采用智能高分子凝胶的药物释放系统,可望能够达到这一目标。病人患病时常伴随着全身或局部的发热及各种化学物质浓度的变化,因此可利用智能高分子凝胶构成具有自反馈功能的智能型药物释放系统。浸含药物的凝胶粒子在身体正常的情况下呈收缩状态,因为形成致密的表面层,可以使药物保持在粒子内。当感受到病灶信号(温度、pH值、离子、生理活性物质)后,凝胶体积膨胀,使包含的药物通过扩散释放出药物;当身体恢复正常后,凝胶又恢复到收缩状态,从而抑制了药物的进一步扩散。利用智能高分子凝胶的溶胀—退溶胀还可以实现机械能—化学能之间的转换,即智能高分子凝胶作为化学机械材料,比如在由聚丙烯酸和水构成的智能高分子凝胶上加上一定质量的负荷,然后通过调节周围溶液的pH值或离子强度,使凝胶发生膨胀收缩,从而将化学能转变为机械能,人们形象地称之为人工肌肉。在5V/mm的电场下,直径1μm的凝胶粒子能在1ms内收缩至原来大小的4%。凝胶这样迅速的反应可作为人体内器官的替代物。利用智能高分子凝胶在电场下收缩这一现象,人们提出了“化学阀”的构想。将多孔性凝胶薄膜的边缘固定在一个圆形环上,当有电场时,膜就会收缩。由于膜的边缘被固定,所以膜上微孔的直径就会变大,因此液体中的分子、微离子就能通过。如果将电场切断,凝胶就会因膨胀而使孔径变小,液体不能通过。通过调节电场的大小,凝胶膜的孔径能被精确控制,从而可以自由选择可通过的粒子,达到分离物质的目的。根据仿生学的原理,可以利用智能高分子凝胶制成人工触觉系统。人们知道,许多生物体的传感系统(如人的皮肤表面、手指)是通过压电效应来实现传感的。在由聚电解质构成的凝胶中,同样存在压电效应,采用智能高分子凝胶制成压力传感器就是利用的这一原理。将两块由聚电解质构成的凝胶并排放在一起,并使其中一块发生变形,受力变形的凝胶就会形成新的电离平稳,从而导致两块凝胶间出现离子浓度差而产生电位差。利用此现象,可以制成像人的手指那样的人工触觉系统。智能高分子凝胶展现了具有传感、处理和执行三重功能的智能材料的特征,反映了信息科学与材料科学的融合。今后,智能高分子凝胶的发展方向是利用仿生学的原理,以自然界中的生物体为蓝本,开发出在功能上接近甚至超过生物体组织的智能高分子凝胶。