敏感性高分子及水凝胶.doc

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1、敏感性高分子及水凝胶摘要：本文介绍了几类敏感性高分子及其水凝胶。主要包括pH敏感水凝胶、温度敏感水凝胶、温度及pH双重响应水凝胶、光响应水凝胶、磁场响应水凝胶等的性质及其研究进展。简要介绍了敏感性高分子及其水凝胶的性质、制备方法、应用及其发展前景。1引言近年来，随着信息，生命，环境，航空航天等领域科学技术的飞速发展，人们对材料性能的要求越来越高。因此，一批性能特异的新功能材料相继问世，敏感性材料就是其中的一类。对环境具有可感知，可响应，并具有功能发现能力的高分子和水凝胶被称之为环境敏感性高分子（enviro

2、nmentsensitivepolymers）和环境敏感性水凝胶（environmentsensitivehydrogels）[1]。与传统的高分子和水凝胶不同，这类高分子和水凝胶的某些物理或化学性质可因环境条件的变化而发生突变。因此，这类高分子也被称为“刺激响应性高分子（stimuli-responsivepolymers）”、“灵巧性高分子(smartpolymers)”或“智能性高分子（intelligentpolymers）”,相应的水凝胶被称为“刺激响应性水凝胶（stimuli-responsiv

3、ehydrogels）”、“灵巧性水凝胶（smarthydrogels）”和“智能性水凝胶（intelligenthydrogels）”[2]。与高分子不同，凝胶是一类可保持一定几何外形，同时具有固体和液体某些性质的胶体分散体系。它是软物质（softmaterials）存在的一种重要形式，是介于固体和液体之间的一种物质形态。凝胶体系由胶凝剂（gelators）所形成的三维网络结构和固定于其中的大量溶剂组成。敏感性水凝胶[3]是一种亲水性高分子交联网络,它能够感知外界环境的微小变化(例如温度、pH、离子强度、

4、光、电场和磁场等),并通过自身体积的膨胀和收缩来响应外界的刺激.敏感性水凝胶的上述特点使其在药物控制释放、物质分离提纯、活性酶包埋和生物材料培养等方面有广泛应用前景。2敏感性高分子及其水凝胶的种类和性质1989年，高木俊宜[4]最先提出了智能材料（intelligentmaterials）概念。随后，美国的Newnham教授提出了与之类似的灵巧材料（smartmaterials）概1念。敏感性高分子和敏感性水凝胶是智能材料家族中的重要成员。凝胶有不同的分类方法。根据溶剂的不同，凝胶分为有机凝胶（organg

5、els）和水凝胶（hydrogels）。以适当的方式脱除溶剂后的凝胶为干凝胶（xerogels）。根据凝胶的大小不同，有（宏观）凝胶和微凝胶（microgels）之分。根据凝胶对环境条件变化响应的不同，凝胶分为传统凝胶和敏感性凝胶。根据凝胶力学性能的不同，凝胶分为弹性凝胶和刚性凝胶。同样，根据维系凝胶三维网络结构力的本性不同，凝胶分为物理凝胶和化学凝胶。敏感性高分子水凝胶在受到刺激时，其性质会发生突变。根据刺激信号的不同，相应的水凝胶被称为化学物质敏感性水凝胶、pH敏感性水凝胶、温敏性水凝胶、光敏性水凝胶等

6、。敏感性水凝胶的研究涉及学科众多，具有显著的多学科交叉特点，是当今最具有挑战的高技术研究前沿领域之一。2.1敏感性高分子及其水凝胶的种类2.1.1温度敏感性高分子及其水凝胶温敏性高分子是研究最多，也是最重要的一类敏感性高分子。这类水凝胶结构中具有一定比例的亲水性和疏水性基团，温度的变化可以影响这些基团的疏水作用和大分子链之间的氢键作用，从而改变水凝胶的网络结构，产生体积相变。温敏水凝胶有高温收缩和低温收缩两种类型[5]。聚N-异丙基丙烯酰胺（PNIPA）是典型的高温收缩型水凝胶，对其响应机理的一般解释是，当

7、温度升高时疏水相相互作用增强，使凝胶收缩。线型聚N－异丙基丙烯酸酰[PNIPAM]是一种典型的温敏性高分子，在水溶液中具有独特的热行为，其大分子链上同时具有亲水性的酰胺基和疏水性的异丙基，使线型PNIPAM的水溶液呈现出温度敏感特性，即随着水溶液温度升高，其溶解性下降，到某一温度时会发生相分离而产生沉淀，但降低温度时，它又可逆地恢复到原来在低温下的状态。这一相变温度被称为最低临界溶解温度（lowestcriticalsolutiontemperature,LCST）。对PNIPAM的研究始于1967年首次观

8、察到了PNIPAM水溶液在31?C具有LCST的热敏现象，PNIPAM才开始受到广泛的关注。早期的研究主要集中在LCST转变的理论分析上，20世纪90年代以后转向PNIPAM的应用。2.1.2PH敏感性高分子及其水凝胶水凝胶的pH敏感性最早由Tanaka[6]在测定陈化后的聚丙烯酰胺凝胶溶胀比时发现这类凝胶含有大量易水解和质子化的解离基团，当外界pH变化时，这些基团的解离程度相应改变，造成凝胶内外离子浓度的变化，