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n異丙基丙烯酰胺溫敏原理 異丙基丙烯酰胺

近年來，智能材料越來越受到研究人員的重視，智能材料能夠通過自主改變自身的結構、特性和功能，快速響應周圍環境的變化 。聚(N-異丙基丙烯酰胺)(PNIPAM)是一種溫度敏感聚合物，具有低臨界溶解溫度(LCST) 。以其為基礎制備的PNIPAM基水凝膠體積、透過率和親水性溫度可調，是一種應用廣泛的刺激響應型智能材料，在智能驅動、光學、生物醫學等領域具有重要的應用價值(圖1) 。近日，天津大學材料學院馮偉教授團隊全面綜述了基于PNIPAM的智能水凝膠在智能驅動器、光子晶體、智能窗、藥物遞送和組織工程等領域的相關研究，以《基于聚(N-異丙基丙烯酰胺)的智能水凝膠:設計、性質和應用》發表在《材料科學進展》雜志(doi: 10.1016/J. PMATSCI 。20702).主要內容包括以下幾個部分:
1.利用PNIPAM基智能水凝膠的溫度敏感性，研究PNIPAM基智能水凝膠在智能執行器、光學和生物醫學領域的應用 。
1.基于PNIPAM的水凝膠智能驅動器
當環境溫度在LCST特征溫度附近變化時，PNIPAM基水凝膠可以吸水膨脹脫水收縮，產生明顯的體積變化 。當體系出現不均勻的溶脹和收縮時，PNIPAM基智能水凝膠可以產生彎曲、折疊、扭曲等宏觀變形 。目前，PNIPAM基水凝膠制成的智能致動器可分為以下幾類:雙層結構、梯度結構、圖案化結構和局部刺激(圖2) 。
2.2的類型 。基于PNIPAM的智能水凝膠致動器:雙層結構、梯度結構、圖案化結構和局部刺激 。
1.1.雙層結構
該雙層PNIPAM基水凝膠驅動器的一層是PNIPAM基水凝膠，另一層可以是水凝膠材料或非凝膠材料 。在溫度的刺激下，兩層的膨脹/收縮是不同的，這樣一層的膨脹/收縮就會受到另一層的約束 。所以一層材料會受到拉力，另一層材料會受到壓力，雙層材料會通過彎曲等運動釋放內應力 。目前，PAAm、PCL、TPU、PDMS等材料可以與PNIPAM基水凝膠結合構建雙層結構，實現彎曲變形 。此外，通過添加其他功能材料(如熒光材料)，可以實現彎曲變形，還可以獲得顏色變化和形狀記憶的功能 。
1.2.梯度結構
在單層PNIPAM基智能水凝膠中構建具有梯度分布的聚合物鏈、交聯密度、填料或孔隙，也可以實現不均勻的溶脹和收縮，從而引起形狀變化 。如圖3所示，利用光在材料中有限的穿透能力，以及材料在電場、磁場、沉淀、離心和自然滲透過程中的運動，可以在單層PNIPAM基水凝膠中構建這種梯度結構 。
圖3 。利用光在材料中有限的穿透能力和材料在電場、磁場中的運動，構建單層PNIPAM基水凝膠的梯度結構 。
1.3.圖案化結構
在自然界中，植物纖維器官通常由在基質中形成圖案的細長纖維組成；當環境濕度變化時，基質和纖維的膨脹差異會導致植物器官的形狀變化 。受這種結構的啟發，研究人員在單層PNIPAM基水凝膠表面構建了具有不同化學結構的區域 。當溫度變化時，這些結構不同的區域會在平面內產生不均勻的膨脹和收縮，從而導致變形 。
1.4.局部刺激
對于具有均勻結構的基于PNIPAM的水凝膠，通過施加不均勻的外部刺激也可以實現不均勻的膨脹和收縮 。因為這種不均勻的膨脹和收縮主要取決于外界刺激的方式，所以理論上，通過改變外界刺激方式，同一個樣品可以發生無數次不同的變形 。
2.2的光學應用 。PNIPAM基水凝膠
光學材料可以通過吸收、散射、反射和干涉等物理現象操縱光，從而表現出獨特的光學特性 。在溫度的刺激下，PNIPAM基水凝膠的體積和透光率會發生變化，這使其在光子晶體、智能窗等領域具有重要的應用潛力 。
2.1.刺激響應光子晶體
如圖4所示，PNIPAM基水凝膠可以構建膠體晶體、反蛋白石結構、布拉格堆積結構、標準具等光子晶體結構 。在溫度的刺激下，PNIPAM基水凝膠會發生膨脹和收縮，從而改變光子晶體的周期性排列，導致光子晶體的光子帶隙和顏色發生變化 。
圖4 pni PAM基水凝膠制備的光子晶體結構:膠體晶體，反蛋白石結構，布拉格堆積和標準具 。
2.2.智能窗口
當溫度在LCST特征溫度附近變化時，PNIPAM基水凝膠的透光率會發生變化 。利用這一特性制備的PNIPAM基水凝膠智能窗可以控制光的透過率，實現對太陽能的調制 。如圖5所示，將光熱材料結合到PNIPAM水凝膠中，可以制成適應氣候變化的智能窗戶，窗戶可以主動阻擋強烈的陽光 。
圖5 。復合光熱轉換劑構建的基于PNIPAM的具有氣候適應性的水凝膠智能窗
3.3的應用 。PNIPAM基水凝膠在生物醫學領域的應用
【n異丙基丙烯酰胺溫敏原理 異丙基丙烯酰胺】由于PNIPAM基水凝膠的LCST接近人體體溫，因此從生理學角度來看，其在生物醫學領域的應用具有吸引力 。此外，PNIPAM基智能水凝膠具有高含水量、可變形性、與其他聚合物共聚的能力以及促進細胞生長的能力，這也促進了其在藥物釋放和組織工程中的應用 。
3.1.藥物輸送
在高于LCST的溫度下，PNIPAM聚合物鏈中的異丙基之間的分子內和分子間疏水作用可以實現PNIPAM的熱致物理交聯，從而制備可注射水凝膠藥物載體 。如圖6所示，PNIPAM基水凝膠可以被降解，并且通過與可降解組分的共聚可以促進藥物釋放 。
圖6 。基于PNIPAM的兼具可注射性和生物可降解性的智能水凝膠藥物載體
3.2.組織工程學
在組織工程領域，基于PNIPAM的水凝膠可用作細胞支架和細胞切片技術 。當用作細胞支架時，通常需要對其進行改性以獲得生物相容性和生物降解性 。在制備細胞片時，利用PNIPAM基水凝膠在溫度變化時的親水性和疏水性變化，可以實現細胞片的吸附和脫離 。
4.結論與展望 。
基于PNIPAM的智能水凝膠在許多領域顯示出巨大的應用前景，但要實現其商業化應用，還需要在響應速度、機械強度、精確定位等方面進一步提高 。此外，結合仿生技術，有望制備新結構的PNIPAM基智能水凝膠，全面實現智能仿生；此外，還可以通過多功能復配，進一步促進其在諸多領域的應用 。

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