高分子材料第三章第五節智能高分子凝膠1概述

智能(Intelligent)或靈巧(Smart)材料是指對環境具有可感知、可響應，并具有功能發現能力的新材料。智能高分子是其中一類當受到外界環境的物理、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生突變的聚合物。智能聚合物也常被稱為“刺激響應性聚合物”、“環境敏感性聚合物”等，其研究的重點多在聚合物水溶液、水凝膠及其表面等。

近年來高分子凝膠作為軟濕件(SoftandWetWares)材料成為智能高分子材料中的重要研究領域。由于此類智能凝膠在柔性執行元件、微機械、藥物釋放體系、分離膜、生物材料等方向有誘人的應用前景，因此目前這方面的研究十分活躍。自然界的一些生物(如海參等)的原始器官主要為水凝膠，它能夠對外界的接觸迅速作出響應，或柔軟的軀體瞬間變得僵硬或部分體壁變為黏性物質。生物體肌肉收縮、松弛的分子機理為肌漿球蛋白和肌動蛋白纖維的互相滑移，肌肉收縮和松弛時，肌漿球蛋白間的纖維(可交聯為凝膠狀)產生很大的收縮或溶脹。在許多類似的自然現象的啟示下，人們日益重視對高分子凝膠特別是刺激響應性智能凝膠的研究。高分子凝膠是由三維網絡結構（交聯結構）的高聚物和溶脹劑組成的，網絡可以吸收溶脹劑而溶脹。根據溶劑的不同，凝膠又分為高分子水凝膠和高分子有機凝膠。智能高分子凝膠是其結構、物理性質、化學性質可以隨外界環境改變而變化的高分子凝膠。當這種凝膠受到環境刺激時其結構和特性（主要是體積）會隨之響應，如當溶劑的組成、pH值、離子強度、溫度、光強度和電場等刺激信號發生變化時，或受到特異的化學物質的刺激時，凝膠的體積會發生突變，呈現體積相轉變行為（溶脹相—收縮相）。即當凝膠受到外界刺激時，凝膠網絡內的鏈段有較大的構象變化，呈現溶脹相或收縮相，因此凝膠系統發生相應的形變；一旦外界刺激消失時，凝膠系統有自動恢復到內能較低的穩定狀態的趨勢。2溶脹與刺激響應根據高分子凝膠受刺激信號的不同，可分為不同類型的刺激響應性凝膠。例如受化學信號刺激的有pH響應性凝膠、化學物質響應性凝膠；受到物理信號刺激的有溫敏性凝膠、光敏性凝膠、電活性凝膠、磁響應性凝膠、壓敏性凝膠等。1）溫度溫敏件凝膠是其體積能隨溫度變化的高分子凝膠，分為高溫收縮性凝膠和低溫收縮性凝膠。例如聚異丙基丙烯酰胺（PNIPAM）水凝膠能響應溫度變化而發生形變，呈現低臨界溶解溫度(LCST)和溫度依賴特性，它低于32℃時在水溶液中溶脹，分子鏈呈擴展構象；而在32℃以上凝膠發生急劇的脫水合作用，由于疏水基團的相互吸引作用，鏈構象收縮而呈現脫溶脹現象。由此可知，上述現象是出于水分子和PNIPAM疏水基團間氫鍵的形成和解離所致；水分子與其相鄰的PNIPAM疏水基團間由氫鍵形成的五邊形結構在低溫穩定，而在高溫不穩定。PNIPAM及其共聚物凝膠的體積相轉變可使它們的物理性能發生很大變化，因此可望將此類材料用作：(1)驅動元件；(2)溫度調控的生物偶聯物，控制酶活性；(3)使水由高分子溶液中萃取的分離組件；(4)智能藥物釋放載體。用途pH響應性凝膠是其體積能隨環境pH值變化的高分子凝膠。這類凝膠大分子網絡中具有可解離的基團，其網絡結構和電荷密度隨介質pH值變化，并對凝膠網絡的滲透壓產生影響；同時因網絡中增加了離子，離子強度的變化也引起體積的變化。pH響應性凝膠，亦可以是物理交聯的剛直的非極性結構與柔韌的極性結構組成的嵌段聚合物。例如多嵌段聚胺凝膠，其分子鏈中含有聚脲鏈段(硬段)和聚氧化乙烯鏈段(軟段)。2）pH值電活性凝膠是其溶脹易受電場（或電流）影響的凝膠。此類刺激響應凝膠是由交聯聚電解質（分子鏈上帶有可離子化基團的高聚物）網絡組成，在此類凝膠中，荷電基團的抗衡離子在電場中遷移，使凝膠網絡內外離子濃度發生變化，導致凝膠體積或形狀改變。例如聚[(環氧乙烷—共—環氧丙烷)—星形嵌段—聚丙烯酰胺]／交聯聚丙烯酸互穿網絡聚合物凝膠，在堿性溶液(NaOH和Na2CO3)中經非接觸電極施加直流電場時，試樣彎向負極。3）電場有些凝膠的溶脹行為會因特定物質（如糖類）的刺激而發生突變，例如藥物釋放體系可依據病灶引起的化學物質（或物理信號）的變化進行自反饋，通過凝膠的溶脹與收縮調控藥物釋放的通、斷。另外，可在相轉變附近將生理活性酶、受體或細胞包埋入凝膠中，使其在目標分子等近旁誘發體積相轉變而起作用。4）化學物質聚合物和表回活性劑相互作用的研究源自蛋白質和天然脂質的締合，其后擴展到與合成表面活性劑締合的研究。最近水溶性合成聚合物（如聚氧化乙烯）與離子型和非離子表面活性劑的相互作用更引起了許多研究者的注意。表面活性劑添加至聚合物溶液中會形成聚合物表面活性劑配合物，從而使聚合物的物理性質發生變化，其作用可歸結為四類：①聚合物構象變化，如線團-球轉變和線團-桿轉變；

②聚合物牌劑相界面上相分離區擴展和位移；③形成復合微相；④溶脹凝膠轉變的位移和流變性能變化。5）表面活性劑3智能凝膠相關技術及其應用下表中列出了智能聚合物的一些應用領域，其中有些凝膠產品已進入市場。1）智能藥物釋放體系在刺激響應性聚合物中，親水性聚合物網絡構成的水凝膠研究得最多。研究焦點部分集中在如何獲得能在信號微小變化下迅速響應的水凝膠。一些凝膠當溫度變化1℃時體積可溶脹數百倍或排除所含90％溶脹劑而收縮。田中豐一既是此類體積相轉變智能凝膠研究領域的奠基人(1975)，又是GelScience/Med公司的創辦者和使刺激響應凝膠技術商品化的開拓者(1992)。其所開發的產品SmartHydrogel由生物粘連性和pH響應性的聚丙烯酸和聚氧化乙烯(PEO)和聚氧化丙烯(PPO)的三嵌段共聚物PEO-PPO-PEO(PluronicPo1yols)復合而成，其疏水PPO鏈段在體溫下可聚集而凝膠化。SmartHydrogel的水溶液不僅對溫度敏感，而且對剪切力敏感，將其作為眼藥水基材，能保持緩慢釋放藥物數小時，而不像一般眼藥水數分鐘即為淚水稀釋而流失。凝膠可作為與外界進行能量、物質和信息交換的開放體系。環境變化的信息輸入可使其產生非線性的形狀和性能變化，進而能將化學能或物理能等轉變為機械能，成為運動功能材料（人工肌肉）。其推動力為凝膠內部和外界環境的化學位差，其所引起的水和溶質的進出使形狀發生變化。一條久夫等以γ射線和電子線輻照交聯的聚乙烯基甲基醚（PVME）水凝膠（LCST為38℃mN的收縮應力，相當于肌肉的1/10~1/3，其伸縮動作時間＜1s。2）人工肌肉一般分離方法要使用大量有機溶劑，且分離條件劇烈，在分離蛋白質等的物質時會使其失活。采用智能凝膠制備刺激響應分離膜，可在水性體系中通過微弱刺激進行吸附、脫吸過程。物質工學工業技術研究所將側鏈有賴氨酸殘基的丙烯酰胺衍生物和異丙基丙烯酰胺共聚物合成新型熱敏感聚合物，它可借溫度和PH值變化產生相轉變。賴氨酸殘基經Cu離子介入，可與其他低分子氨基酸形成三元配合物。由于疏水性D-氨基酸較L-氨基酸的配合物的相轉變溫度高0.6℃，利用溶液溫度降低時熱敏聚合物的急劇凝聚沉淀可望將二者分離。3）刺激響應分離膜最近Hu研究組將金濺涂在聚異丙基丙烯酰胺表面，使其在凝膠表面形成金方格陣列，其陣列空間可作為光衍射的狹縫。實驗表明，當升溫至33.6℃時，凝膠因體積相轉變收縮，狹縫尺度改變，衍射圖案隨之改變。因該二維光柵寬度及凝膠表面光柵單位面積狹縫可隨外界刺激和電場變化，此凝膠光柵可望用于光濾波器、傳感器和光通訊中。4）凝膠光柵刺激響應聚合物和生物大分子（如抗體蛋白酶、A蛋白質、細胞色素）以及鏈霉素偶聯將使此類分子系統適用于親和分離、免疫測定和酶的回收與再循環。

P.S.Stayton、ChenGuohua和A.S.Hoffman等合成了一種蛋白質鏈霉素突變體（N49C）。在此N49C鏈霉素突變體中聚合物偶聯位點鄰近生物素結合口袋的外緣，半胱氨酸于49位為天冬酰胺所取代。為使溫度響應性聚異丙基丙烯酰胺與49位的半胱氨酸的疏基有效偶聯，他們合成了乙烯砜（VS）端基的PNIPAM衍生物（VS—PNIPAM），并以三（2—羧乙基）膦為二硫化物還原劑使VS—PNIPAM和N49C鏈霄素在的磷酸鹽緩沖液中偶聯，然后再將此偶聯物固定化在多孔聚四氟乙烯膜上。5）智能凝膠與生物技術

實驗表明：4℃時的PNIPAM構象為水合線團，此時偶聯在膜上的N49C鏈霉素的生物素結合容量與野生型或N49C突變體鏈霉素類同。但當溫度升至37℃時，聚合物收縮成球，偶聯物的生物素結合容量明顯減少，相對于4℃時生物素結合降低了84％。這種可逆聚合物與基因工程蛋白質位點特異偶聯提供了分子識別過程的很靈敏環境控制方式；閘門的“開—關”速率及配體與受體蛋白質結合口袋的“開—閉”是可控的；而且通過改變刺激響應聚合物的相對分子質量（聚合物線團尺度）和組成，則能調控激發響應所需刺激的類型和大小。聚合物—蛋白質偶聯物可以根據不同應用要求以溶液、固定化界面或凝膠形式使用。此類分子閘門和開關可望用于醫學、生物和信息等技術中。4智能凝膠展望1）靈巧凝膠表面

智能水凝膠可響應外界刺激，使其溶脹或收縮從而會在凝膠表面形成環境響應的變化圖案。Chen等將PAA以疊氮苯胺鹽酸鹽處理而固定于PS膜表面，用AFM觀察到了表面PAA敏感高分子的圖案，此圖案隨環境pH值的變化而改變形態。此技術可望用于分子電子學、微機械、生物傳感器等領域。Hu等在聚異丙基丙烯酰胺凝膠細條試祥表面上選擇濺射金的薄膜陣列，此陣列可隨溫度連續變化而呈現出奇持的圖案。陣列周期常數可隨凝膠的收縮或溶脹而降低或增高，而且圖案可隨溫度可逆變化。負離子性PNlPAM凝膠的表面陣列可用電場調控。表面圖案環境響應凝膠可用于傳感器。如凝膠在外力作用下的形變可以通過凝膠上的光柵相鄰衍射點的間隙來監測。金屬陣列用于智能凝膠表面，開拓了用于傳感器的微電極陣列裝置制備的新途徑，此技術在離了色譜、酶活性測定和細胞電活性監測方面具有應用前景。2）軟濕有機技術開發

于同隱研究組以戊二醛交聯殼聚糖和絲心蛋白制備了半互穿聚合物網絡(CS/SF—semi—IPN)，由FTIR（傅立葉轉換紅外光譜）確認殼聚糖和絲心蛋白間存在強氫鍵相互作用，從而使聚合物間形成配合物；該semi—IPN在緩沖溶液中的溶脹顯示出可逆的pH值和A13+敏感性。他們將此CS/SF—semi—IPN制備成天然生物大分子配合物膜材，用于含A1C13的異丙醇—水混合物的滲透蒸發分離。研究表明，改變料液中A1C13含量即可控制通量，說明此膜可望作為醇—水混合物分離的化學閥使用。3）智能凝膠與組織工程

組織工程是運用工程科學與生命科學的基本原理和方法，研究和開發生物體替代物來恢復、維持和改進組織功能。其基本思路是首先在體外分離、培養細胞，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，并加以持續培養，最終形成具有一定結構的組織和器官。與現在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物比器官移植便宜得多，且更適應治療個體化的發展。

水凝膠聚合物網絡可浸入和保留大量水，它容許水溶性分子經多孔水凝膠白由擴散，此傳遞性質使基質內的化學平衡類似于周圍組織，因而水凝膠可作為組織重建和植入的一種人工細胞外基質，很有發展前景，利用聚合物—水體系的相分離或致孔劑能在基材中構筑細胞尺度孔隙，促進細胞—材料和細胞—細胞相互作用，利于細胞長入和整合。

許多天然水凝膠已用作組織支架，如LiuQing和Y．Ikada等以膠原酶消化鼠肋軟骨收獲軟骨細胞，將其與I型膠原冷凍干燥后經戊二醛交聯得到的泡沫（平均孔徑86μm，孔隙率87％，密度1.0x10-2g／cm3），以此可制備軟骨細胞/膠原復合材料，且使其負載堿性成纖細胞生長因子(6FGF)。將此植入裸鼠，由組織學觀察可見介入復合材料的細胞呈現其表型，且4周后形成新成熟軟骨。

馬建標等采用溶液澆鑄/冷凍干燥法將殼聚糖與膠原或海藻酸鈉進行復合，得到多孔海綿體材料，并將其用于生物雜化人工皮膚組織工程的研究。結果表明，由于殼聚糖的銨基陽離子可與膠原或海藻酸鈉中的陰離子結合而形成離子復合物，可使材料電荷狀況得以改善，從而有利于細胞的附著與增殖。姚康德研究以殼聚糖—明膠聚電解質配合物網絡水凝膠中的水為致孔劑，凍結干燥制備了多孔支架（平均孔徑30~100μm，孔隙率97％）后，以戊二醛交聯，NaBH4脫殘留醛基，制備了殼聚糖-明膠支架，進而將其與牛關節軟骨細胞構建結構物，在體外三維培養5周，可觀察到支架內部部分區域出現聚集成片的細胞，呈現組織化發展現象。每年進入夏季，由于氣溫高、濕度大，對幼兒的照顧要特別注意，以下是出國留學網為您搜集整理的育兒健康小常識1.不是所有寶寶都需額外補充維生素很多家長會問，孩子多大需要開始補充維生素?小嬰兒是否需要補充維生素?劉主任表示，孩子多大補充維生素沒有明確的界定，如果寶寶是吃母乳或奶粉，一般營養物質都足夠、全面，不需要額外補充維生素，如果出現了某些癥狀，如缺乏維生素B或維生素C等，再有針對性的補充會更好。維生素D可以促進鈣的吸收，小嬰兒也應該補充，特別是純母乳喂養的寶寶，如果沒有補充維生素D，常帶寶寶曬太陽，也可以轉化為維生素D，從而促進鈣的吸收。給寶寶曬太陽，一般每天半小時到1小時，注意不要遮擋著曬太陽，如果是戴太陽帽、打傘或擦防曬霜等，起不到曬太陽的效果。2.不能用維生素補充劑代替蔬菜水果有的家長認為，都是補充維生素，用維生素補充劑方便多了，因此就用維生素補充劑代替水果和蔬菜。劉主任表示，只要條件允許，應盡量從食物中攝取維生素，如果是因為某些特殊情況導致不能全面有效獲得維生素，則可以考慮食用維生素補充劑。而且維生素補充劑是不能