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1、intelligent fibers,智能纤维,汇报人：何丽云,智能的概念：狭义的智能高等动物的思维活动和思维能力；广义的智能则是指一切生物体皆具备的对对外界刺激的反应能力。,蜥蜴皮肤的颜色随周围环境改变,变色龙,含羞草的叶子受到碰触而闭合,智能纤维,智能纤维材料是指能够感知周围环境变化或受到刺激后能反映出某种变化的纤维。智能纤维之所以具有这种功能。主要是这种纤维含有传感、执行和处理器的功能，具有传感、执行、调控、识别、变化、适应能力。,目前智能纤维材料品种有： 光敏纤维 温敏纤维 水凝胶纤维 形状记忆纤维 蓄热调温纤维 智能抗菌纤维,智能高分子材料的一般分类及应用,智能高分子凝胶,概述 分类
2、 应用,智能高分子凝胶,三维高分子网络与溶剂组成的体系 含有亲溶剂性基团，可被溶剂溶胀 最大的特点:体积相转变,高分子凝胶的三维网状结构,定义：高分子凝胶是指三维网络结构的高分子化合物与溶剂组成的体系，由于它是一种三维网络立体结构，因此它不被溶剂溶解，同时分散在溶剂中并能保持一定的形状。 它既是高分子的浓溶液又是高弹性的固体，小分子物质能在其中渗透或扩散。,智能高分子凝胶的体积相转变,内因： 范德华力、氢键、疏水作用及静电作用力-相互组合和竞争,智能高分子凝胶的刺激响应性与分类,pH响应性凝胶 生化响应性凝胶 盐敏凝胶,温度响应性凝胶 光响应性凝胶 压力敏感性凝胶 电场响应性凝胶,刺激响应性,
3、刺激,响应,分类,智能凝胶分类,PH响应凝胶纤维 温敏水凝胶 光敏凝胶 电场敏感凝胶纤维,二十世纪四十年代，Kuhn和I(atchalsky对高分子智能凝胶在不同的PH值溶液中的伸缩变形行为的研究开创了人类对人工肌肉(AMP)研究的先例。 他们将聚丙烯酸3050与聚乙烯醇5070混合后水溶液在盐酸溶液中加热制得纤维。将这种纤维系吊360毫克的负荷0.02NHCl、0.02N NaOH交替添加后收缩溶胀情况如图所示。添加酸碱后3060秒发生伸缩2030，化学能直接转化为机械功，这种可逆循环可反复2000次以上。 离子和阳离子基团同时存在聚合物凝胶纤维中，这种两性凝胶，例如聚丙烯腈纤维200左右经
4、过热处理，然后碱处理，纤维在PH=3时收缩，PH=11时溶胀，收缩量约70。收缩时间仅2秒。,PH响应凝胶纤维,Tanaka等最早报导聚(N一异丙基丙烯酰胺)(PNIPA)水溶胶具有温度敏感特性。聚N一异丙基丙烯酰胺水凝胶是典型的温敏水凝胶，并且存在一个最低临界溶解温度(LEST约33)。当温度升高到LCST以上，达332时，PNIPA水凝胶网络将有l8体积发生收缩，并且由水溶液中沉淀出来，当温度低于I_CST时，PNIPA水凝胶能吸收水分再溶胀。近年来，大量的研究关于这类温敏水凝胶，这种相分离的性质，已应用于许多领域，例如控制药物的释放(dmg release)、再循环吸收(recyclab
5、le absorbents)、酶的定位(inm劬bilization ofzyn”)、反应活性控制等。由于常规型PNIPA水凝胶对表面温度的变化的应答速率较慢，由此阻碍了它的应用。为了提高应答动力，采用了许多方法。Zhay、Zhuo等采用水和丙酮V/V=I：1混合溶剂试验，加快了PNIPA水凝胶的溶胀速率。,温敏水凝胶,电场敏感凝胶纤维,定义：指在电场的作用下可发生形变的一类凝胶。 原理：电场响应的机理是凝胶中的荷电基团抗衡离子在电场下的定向移动引起渗透压和电解质电离状态的变化，进而导致凝胶体积或者形变。,案例：,通过自由基聚合法，将非离子型单体甲基丙烯酸羟乙酯（HEMA）与离子型单体2-丙烯
6、酰胺基-2-甲基丙磺酸（AMPS）进行共聚，加入聚乙二醇作为改性剂，合成的P(AMPS-co-HEMA)水凝胶（PEGMH）。,Tanaka等发现了紫外光和可见光照射下的凝胶的相转变。他们主要研究了N一异丙基丙酰胺单体和具有光敏变色基团的叶绿素酸酮的三钠盐，在可见光照射下，凝胶发生收缩。已经知道一些分子受光刺激产生可逆的应答如同植物接受光或热的刺激，具有相似的应答如图所示。这些分子在接受光照后左边结构向右边结构转变，切断光照，左边结构回复原状，这种反应与分子持有的性质(立体结构、极性、电荷状态)有关。,光敏凝胶,应用,自从田中丰一教授1975年发现智能凝胶以来，智能凝胶迅速成为了许多学者研究重
7、点，其中水凝胶发展最为迅速。由于智能水凝胶的独特响应性，在化学转换器、记忆元件开关、传感器、人造肌肉、化学存储器、分子分离体系、活性酶的固定、组织工程和药物载体等方面具有很好的应用前景 人工肌肉 修复神经 药物载体 智能服装,早在两千多年前，人类对天然肌肉的收缩过程开始研究，直到近二三十年才逐渐清楚。天然肌肉能将化学能等温高效的直接转换成机械能，研究具有类似天然肌肉功能的人工肌肉不仅是为了生物医用材料的需要，也是机器人技术的发展对驱动元件研究的要求。 智能凝胶纤维的研究已有60多年历史，至今研究的材料与生物体还有很大的差距，不仅仅在于材料与生物体的相容性问题尚未解决。而且在材料的性能方面还没有
8、达到生物体的要求，表中列出了生物体和目前研究的智能凝胶纤维力学性能上的差异，为了使智能凝胶纤维能够替代生物体的人工肌肉等组织，需要高分子材料研究工作者继续寻找和研究新型的智能凝胶纤维材料，改进它的性能，以适应生物体的需要。,智能凝胶的应用人工肌肉,原理：肌原纤维收缩就是粗肌丝拽拉细肌丝的过程。当肌膜接收神经纤维来的信息后发生兴奋，通过横管系统引起肌浆网系终末小池释放钙，钙离子进入肌浆和肌原纤维细胞丝中的原宁蛋白组中的TnC蛋白结合形成ca2一的肌动蛋白复合纤。原宁蛋白组对肌球蛋白与肌动蛋白结合的阻止作用消失。粗肌丝上横桥与细肌丝搭接，释放ATP酶促使ATP水解放出能量，在粗肌丝通过横桥的牵动下
9、，粗细肌丝重叠部分增加，肌节缩短，几条肌纤维收缩。肌细胞收缩。兴奋过后，肌浆网系几个管道从肌浆中摄取钙离子，肌细胞舒张，进入肌浆网系管道内的钙离子又回到终末小池。肌肉长期发生变化时，粗细两组肌丝各自长度不变，蛋白质的构象也不发生改变，只是粗细肌丝相互重叠部分增加或减少。,天然肌肉收缩原理,凝胶中载有的药物可作为外用涂敷制剂，对局部皮肤粘膜起治疗作用，也可透皮吸收后对全身作用，根据药物特性起到不同的疗效。,药物载体,修复神经,香港中文大学化学系吴奇教授研究了PImPA嵌段共聚物。在稀溶液中，单个分从无规线团到卷曲球的转变，制备了由生物医学应用前景的生物降解“智能凝胶”，缩速度在体温下比类似的聚合物凝胶快近千倍。不需外科缝合条件，该聚合物凝胶连修复断裂开的老鼠坐骨神经。,智能多功能服装,一、智能调温,二、智能抗菌织物,谢谢,
