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新材料 | 智能高分子凝胶及其应用
发布时间:2018-03-06   点击次数:33次

智能高分子凝胶属于高分子凝胶的一种,这类材料由三维高分子网络与溶剂组成,网络交联结构使其不溶解而保持一定的形状,由于凝胶结构中含有亲溶剂性基团,使之可被溶剂溶胀而达到平衡体积。与普通凝胶相比,这种智能材料通过分子设计和有机合成的方法,赋予材料更加高级的功能:如自修与自增殖能力、认识与鉴别能力、刺激响应与环境应变能力等。

 

 

利用智能高分子凝胶受外界刺激而变形的特性,人们设想出各种各样的化学能—机械能转变装置,在药物控释系统、记忆元件开关、人造肌肉、化工分离、环境工程、可视化光学传感等领域有潜在应用价值。

 

在药物释放领域的应用

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。

 

 

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。浸含药物的智能高分子凝胶在身体正常的情况下呈收缩状态,形成致密的表面层,使药物保持在粒子内。当感受到病理信号(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。

 

在形状记忆和自修复方面的应用

自愈型形状记忆水凝胶,可以进行自我修复,在切割成片段后恢复原始形状。形状记忆水凝胶在航空航天、纺织和生物医学领域都有潜在应用价值。

 

 

研究者通过将可有效提升水凝胶力学性能的双网络概念引入基于超分子的形状记忆高分子材料,并进一步发挥超分子体系的设计,成功构筑了具有良好力学性能,且可实现三重形状记忆功能的双网络超分子水凝胶。

 

在智能伤口敷料上的应用

麻省理工学院(MIT)机械工程系Xuanhe Zhao教授设计和开发了新型水凝胶敷料,“智能伤口敷料”必要时可以释放药物,能够对皮肤温度的变化做出反应。如果药物将尽,它甚至还能亮灯报警。

 

 

凝胶出汗墙

西班牙巴塞罗那“加泰罗尼亚高级建筑学院”的建筑师团队设计出一种“出汗墙”,建材陶瓷层中所含的水凝胶颗粒能在周围空气升温时吸收水分,然后“出汗”,水分蒸发就会降低建筑物内部的温度,最高可降温5-6摄氏度,从而起到空调的作用。之所以选择水凝胶颗粒,是因为它吸水后体积能膨胀为原来的500倍,能让建筑物的能源消耗减少28%。

 

 

在人工肌肉上的应用

日本理研中心的研究人员开发了一种新型水凝胶,能够像人造肌肉一样随着温度的变化不断的收缩或伸展。他们还通过将这种聚合物材料设计成L形,使之能够随着温度的反复升高而慢慢前行。这种水凝胶聚合物的网格结构能够保存大量水分,这也使它们能随着环境条件(例如电压、热和酸度)的变化膨胀和收缩。这种特性其实也类似植物的细胞,它们也能据外界环境的变化来改变其中的水量,以此来改变形状。

 

 

在仿生制动器上的应用

研究人员利用电场敏感性凝胶机器手、凝胶鱼、凝胶爬虫等仿生制动器。Tohru Shiga制备的PVA-PAA仿生机器手可以在10mmol/L的碳酸钠溶液中通过电信号使凝胶触指弯曲,毫无损伤地抓取10g重的鹌鹑蛋,加相反电压,触指张开,放下蛋。

 

 

智能水凝胶化学阀

利用智能高分子凝胶在电场中发生收缩这一现象,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。

 

(来源:新材料在线)

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