1 第第4章章 智能高分子材料智能高分子材料 2 能能能能感感感感觉觉觉觉周周周周围围围围环环环环境境境境变变变变化化化化，，，，而而而而且且且且针针针针对对对对环环环环境境境境的的的的变变变变化化化化能采取响应对策的高分子材料能采取响应对策的高分子材料能采取响应对策的高分子材料能采取响应对策的高分子材料4.1概述概述智能化设计思路：智能化设计思路：智能化设计思路：智能化设计思路： 从从从从分子结构分子结构(包括支链结构包括支链结构)、聚集态结构、、聚集态结构、共混、复合、界面共混、复合、界面和和和和表面表面甚至甚至甚至甚至外观结构外观结构等方面，等方面，等方面，等方面，单一或多种机制综合利用，实现某种智能化单一或多种机制综合利用，实现某种智能化单一或多种机制综合利用，实现某种智能化单一或多种机制综合利用，实现某种智能化又称：智能聚合物、机敏性聚合物、刺激响应型聚又称：智能聚合物、机敏性聚合物、刺激响应型聚又称：智能聚合物、机敏性聚合物、刺激响应型聚又称：智能聚合物、机敏性聚合物、刺激响应型聚合物、环境敏感型聚合物。
合物、环境敏感型聚合物合物、环境敏感型聚合物合物、环境敏感型聚合物概念概念 3 能响应外界刺激而溶胀或收缩的聚合物凝胶能响应外界刺激而溶胀或收缩的聚合物凝胶能响应外界刺激而溶胀或收缩的聚合物凝胶能响应外界刺激而溶胀或收缩的聚合物凝胶自然界：自然界： 海参体壁的原始器官海参体壁的原始器官海参体壁的原始器官海参体壁的原始器官————高分子高分子高分子高分子“ “水凝胶水凝胶水凝胶水凝胶” ”智能高分子材料研究起源智能高分子材料研究起源智能高分子材料研究起源智能高分子材料研究起源聚聚聚聚合合合合物物物物凝凝凝凝胶胶胶胶：：：：由由由由网网状状结结构构（（（（物物物物理理理理或或或或化化化化学学学学交交交交联联联联结结结结构构构构））））的的高高聚聚物物和和水水组组成成网网网网状状状状结结结结构构构构的的的的高高高高聚聚聚聚物物物物不不不不能能能能被被被被水水水水溶溶溶溶解解解解，，，，但但但但能能能能吸吸吸吸收收收收大大大大量量量量水水水水分分分分子子子子而使凝胶溶胀而使凝胶溶胀而使凝胶溶胀而使凝胶溶胀 4 人工材料：人工材料：透明透明透明透明混浊混浊混浊混浊★★★★离子化的部分水解聚丙烯酰胺凝胶置于水－丙酮离子化的部分水解聚丙烯酰胺凝胶置于水－丙酮离子化的部分水解聚丙烯酰胺凝胶置于水－丙酮离子化的部分水解聚丙烯酰胺凝胶置于水－丙酮溶液中溶液中溶液中溶液中新的研究领域：灵巧凝胶、智能凝胶新的研究领域：灵巧凝胶、智能凝胶新的研究领域：灵巧凝胶、智能凝胶新的研究领域：灵巧凝胶、智能凝胶冷却冷却冷却冷却加热加热加热加热★★★★聚丙烯酰胺聚丙烯酰胺凝胶凝胶凝胶凝胶田中丰一田中丰一田中丰一田中丰一 19751975年年年年随溶剂浓度和温度变化，凝胶溶胀或收缩数倍。
随溶剂浓度和温度变化，凝胶溶胀或收缩数倍随溶剂浓度和温度变化，凝胶溶胀或收缩数倍随溶剂浓度和温度变化，凝胶溶胀或收缩数倍 5 智能高分子材料的研究内容：智能高分子材料的研究内容：智能高分子材料的研究内容：智能高分子材料的研究内容：(1)(1)智能高分子凝胶智能高分子凝胶——刺激响应性高分子凝胶刺激响应性高分子凝胶单单单单一一一一响响响响应应应应性性性性————————压压压压力力力力、、、、温温温温度度度度、、、、光光光光强强强强、、、、电电电电( ( ( (磁磁磁磁) ) ) )场场场场、、、、组组组组成成成成、、、、pHpH值值值值、、、、离离离离子子子子强强强强度度度度、、、、特特特特异异异异的化学物质刺激；的化学物质刺激；的化学物质刺激；的化学物质刺激； 受受到到环环境境刺刺激激时时会会随随之之响响应应，，发发生生结结构构、、物理性质、化学性质变化的凝胶物理性质、化学性质变化的凝胶双双双双( ( ( (多多多多) ) ) )重重重重响响响响应应应应性性性性————————热热热热- - - -光光光光、、、、磁磁磁磁－－－－热热热热、、、、pHpH值值值值－－－－离离离离子刺激等。
子刺激等子刺激等子刺激等 6 控制信号：控制信号：控制信号：控制信号：●●●●体内信号体内信号体内信号体内信号●●●●外外外外部部部部信信信信号号号号：：：：热热热热、、、、电电电电场场场场、、、、磁磁磁磁场场场场、、、、超超超超声声声声波波波波等等等等物物物物理信号 当当当当药药药药物物物物所所所所在在在在环环环环境境境境发发发发生生生生变变变变化化化化时时时时，，，，体体体体系系系系能能能能够够够够感感感感知知知知并并并并做做做做出出出出相相相相应应应应的的的的反反反反应应应应，，，，以以以以一一一一定定定定的的的的形形形形式式式式（（（（定定定定向向向向、、、、定定定定时时时时、、、、定定定定量量量量））））调调调调控控控控释释释释放放放放药药药药物物物物，，，，从从从从而而而而达达达达到到到到最最最最佳佳佳佳治治治治疗疗疗疗效效效效果果果果的的的的系统2)智能药物释放体系智能药物释放体系 7 (3)(3)记忆功能高分子材料记忆功能高分子材料(4)(4)智能高分子膜智能高分子膜应力记忆、应力记忆、应力记忆、应力记忆、形状记忆形状记忆、体积记忆、色泽记忆。
体积记忆、色泽记忆体积记忆、色泽记忆体积记忆、色泽记忆 以以以以高高高高分分分分子子子子膜膜膜膜的的的的形形形形式式式式对对对对环环环环境境境境进进进进行行行行感感感感知知知知、、、、响响响响应应应应且且且且具有功能发现能力的膜用材料具有功能发现能力的膜用材料具有功能发现能力的膜用材料具有功能发现能力的膜用材料研究较多：选择性渗透、选择性吸附和分离等研究较多：选择性渗透、选择性吸附和分离等研究较多：选择性渗透、选择性吸附和分离等研究较多：选择性渗透、选择性吸附和分离等 8 （（5 5）聚合物电流变流体）聚合物电流变流体 由由由由高高高高介介介介电电电电常常常常数数数数的的的的聚聚聚聚合合合合物物物物颗颗颗颗粒粒粒粒悬悬悬悬浮浮浮浮在在在在低低低低介介介介电电电电常常常常数数数数的的的的液液液液体体体体中中中中构构构构成成成成，，，，可可可可有有有有效效效效解解解解决决决决无无无无机机机机电电电电流流流流变变变变液液液液的的的的沉沉沉沉降降降降和和和和材料对器件的磨损等问题材料对器件的磨损等问题材料对器件的磨损等问题。
材料对器件的磨损等问题聚合物：以离子型聚合物和聚合物半导体为主聚合物：以离子型聚合物和聚合物半导体为主聚合物：以离子型聚合物和聚合物半导体为主聚合物：以离子型聚合物和聚合物半导体为主6 6）智能织物）智能织物 防防防防水水水水透透透透湿湿湿湿织织织织物物物物、、、、变变变变色色色色纺纺纺纺织织织织品品品品、、、、调调调调温温温温纺纺纺纺织织织织品品品品、、、、智能安全防护纺织品等智能安全防护纺织品等智能安全防护纺织品等智能安全防护纺织品等 9 4.2 高分子凝胶及体积相转变高分子凝胶及体积相转变高分子凝胶：高分子凝胶：高分子凝胶：高分子凝胶：复合体系复合体系溶胀相溶胀相溶胀相溶胀相收缩相收缩相收缩相收缩相 凝胶的体积随外界环境因子变化而产生不连续凝胶的体积随外界环境因子变化而产生不连续凝胶的体积随外界环境因子变化而产生不连续凝胶的体积随外界环境因子变化而产生不连续变化的现象变化的现象变化的现象变化的现象————————凝胶的体积相转变凝胶的体积相转变凝胶的体积相转变凝胶的体积相转变体积相转变：体积相转变：体系内各种相互作用力相互结合和竞争的结果。
体系内各种相互作用力相互结合和竞争的结果网络的交联结构网络的交联结构网络的交联结构网络的交联结构————使它不溶解而保持一定的形状；使它不溶解而保持一定的形状；使它不溶解而保持一定的形状；使它不溶解而保持一定的形状；亲溶剂型基团亲溶剂型基团亲溶剂型基团亲溶剂型基团————使它可被溶剂溶胀使它可被溶剂溶胀使它可被溶剂溶胀使它可被溶剂溶胀 10 高分子凝胶内存在的相互作用力高分子凝胶内存在的相互作用力高分子凝胶内存在的相互作用力高分子凝胶内存在的相互作用力(1)(1)(1)(1)范德华力范德华力 取向力、诱导力、色散力取向力、诱导力、色散力取向力、诱导力、色散力取向力、诱导力、色散力 在非极性有机溶剂体系的凝胶中起重要作用在非极性有机溶剂体系的凝胶中起重要作用在非极性有机溶剂体系的凝胶中起重要作用在非极性有机溶剂体系的凝胶中起重要作用3)(3)(3)(3)静电相互作用力静电相互作用力 源于大分子链上荷电基团的相互作用源于大分子链上荷电基团的相互作用源于大分子链上荷电基团的相互作用源于大分子链上荷电基团的相互作用。
正、负离子间相互吸引正、负离子间相互吸引正、负离子间相互吸引正、负离子间相互吸引————————凝胶收缩；凝胶收缩；凝胶收缩；凝胶收缩； 正正正正————正、负正、负正、负正、负————负电荷相斥负电荷相斥负电荷相斥负电荷相斥————————凝胶溶胀凝胶溶胀凝胶溶胀凝胶溶胀2)(2)(2)(2)氢键氢键 形成氢键时：大分子以特定方式排列而收缩；形成氢键时：大分子以特定方式排列而收缩；形成氢键时：大分子以特定方式排列而收缩；形成氢键时：大分子以特定方式排列而收缩； 温度升高时：氢键破坏温度升高时：氢键破坏温度升高时：氢键破坏温度升高时：氢键破坏, , , ,发生溶胀发生溶胀发生溶胀发生溶胀例：弱酸性丙烯酸和强碱性季铵盐合成的两性凝胶例：弱酸性丙烯酸和强碱性季铵盐合成的两性凝胶例：弱酸性丙烯酸和强碱性季铵盐合成的两性凝胶例：弱酸性丙烯酸和强碱性季铵盐合成的两性凝胶 11 (4)疏水相互作用力疏水相互作用力存在于大分子链的疏水性基团之间存在于大分子链的疏水性基团之间存在于大分子链的疏水性基团之间。
存在于大分子链的疏水性基团之间温度较低温度较低时：时：时：时：水分子在疏水性基团周围形成团簇水分子在疏水性基团周围形成团簇，，，，整个分子呈现亲水性整个分子呈现亲水性整个分子呈现亲水性整个分子呈现亲水性————凝胶溶胀；凝胶溶胀；凝胶溶胀；凝胶溶胀；温度升高至相变温度温度升高至相变温度：链段运动能力提高，疏水性：链段运动能力提高，疏水性：链段运动能力提高，疏水性：链段运动能力提高，疏水性基团周围的水团簇崩溃，基团周围的水团簇崩溃，基团周围的水团簇崩溃，基团周围的水团簇崩溃，凝胶网络为疏凝胶网络为疏水基团保护水基团保护，水不易进入，水不易进入，水不易进入，水不易进入————凝胶收缩凝胶收缩凝胶收缩凝胶收缩例：聚异丙基丙烯酰胺凝胶例：聚异丙基丙烯酰胺凝胶例：聚异丙基丙烯酰胺凝胶例：聚异丙基丙烯酰胺凝胶(PNIPA) (PNIPA) 侧链的侧链的侧链的侧链的异丙基异丙基————疏水基团疏水基团 12 4.3高分子凝胶的刺激响应性高分子凝胶的刺激响应性4.3.1物理刺激响应性物理刺激响应性(1)温敏性凝胶温敏性凝胶 能响应温度变化而发生溶胀或收缩即体积相能响应温度变化而发生溶胀或收缩即体积相能响应温度变化而发生溶胀或收缩即体积相能响应温度变化而发生溶胀或收缩即体积相变转变的凝胶。
变转变的凝胶变转变的凝胶变转变的凝胶机制：机制：机制：机制：温度的变化影响了其中的疏水基团的疏水作用温度的变化影响了其中的疏水基团的疏水作用以及大分子链间的氢键作用以及大分子链间的氢键作用，从而使凝胶结构，从而使凝胶结构，从而使凝胶结构，从而使凝胶结构改变，发生体积相变改变，发生体积相变改变，发生体积相变改变，发生体积相变体积发生变化的临界转化温度体积发生变化的临界转化温度体积发生变化的临界转化温度体积发生变化的临界转化温度————低临界溶解温度低临界溶解温度(lower critical solution temperatureture(lower critical solution temperatureture，，，，LCST) ) 13 高温收缩型高温收缩型 ★★★★聚异丙基丙烯酰胺聚异丙基丙烯酰胺(PNIPA) 机理：疏水基团的疏水作用机理：疏水基团的疏水作用低温收缩型低温收缩型★★★★聚丙烯酸聚丙烯酸(PAAC)和聚和聚N, N－二甲基丙烯酰胺－二甲基丙烯酰胺 (PDMAAM)网络互穿形成的聚合物水凝胶网络互穿形成的聚合物水凝胶 机理：氢键的形成与断裂。
机理：氢键的形成与断裂温度低于温度低于温度低于温度低于LCSTLCST时溶胀，高于时溶胀，高于时溶胀，高于时溶胀，高于LCSTLCST时收缩温度低于温度低于温度低于温度低于LCSTLCST时收缩，高于时收缩，高于时收缩，高于时收缩，高于LCSTLCST时溶胀 14 (2)光敏感性凝胶光敏感性凝胶机机机机理理理理一一一一：：：：聚聚聚聚合合合合物物物物链链链链上上上上的的的的光光敏敏感感分分子子的的经经光光辐辐照照后后发发生生光光异异构构化化，，伴伴随随几几何何结结构构的的改改变变，，，，发生不连续的相转变发生不连续的相转变发生不连续的相转变发生不连续的相转变由于光辐射由于光辐射由于光辐射由于光辐射( (光刺激光刺激光刺激光刺激) )而发生体积相转变的凝胶而发生体积相转变的凝胶而发生体积相转变的凝胶而发生体积相转变的凝胶机机机机理理理理二二二二：：：：光光敏敏感感分分子子发发生生光光解解离离作作用用(即即遇遇光光分分解解产产生生的的离离子子化化)，，使使凝凝胶胶内内外外离离子子浓浓度度差差改改变变，，，，造造造造成成成成凝凝凝凝胶胶胶胶渗渗渗渗透透透透压压压压突突突突变变变变，，，，促促促促使使使使凝凝凝凝胶胶胶胶发发发发生溶胀做出光响应。
生溶胀做出光响应生溶胀做出光响应生溶胀做出光响应 15 (3)磁场敏感性凝胶磁场敏感性凝胶 包包包包埋埋埋埋有有有有磁磁磁磁性性性性微微微微粒粒粒粒子子子子的的的的高高高高吸吸吸吸水水水水性性性性凝凝凝凝胶胶胶胶随随随随磁磁磁磁场场场场的的的的变化而发生溶胀和收缩变化而发生溶胀和收缩变化而发生溶胀和收缩变化而发生溶胀和收缩机机机机理理理理：：：：将将将将铁铁铁铁磁磁磁磁体体体体““““种种种种植植植植””””在在在在凝凝凝凝胶胶胶胶内内内内，，，，当当当当施施加加磁磁场场时时铁铁磁磁体体发发热热，，，，使使使使周周周周围围围围凝凝凝凝胶胶胶胶温温温温度度度度升升升升高高高高诱诱发发溶溶胀胀或或收收缩缩去去去去除除除除磁磁磁磁场场场场后后后后，，，，凝凝凝凝胶胶胶胶冷冷冷冷却却却却，，，，恢恢恢恢复复复复至至至至原原原原来的尺寸来的尺寸来的尺寸来的尺寸制备：将微细镍针状结晶置于预先形成的凝胶中；制备：将微细镍针状结晶置于预先形成的凝胶中；制备：将微细镍针状结晶置于预先形成的凝胶中；制备：将微细镍针状结晶置于预先形成的凝胶中；以以以以聚聚聚聚乙乙乙乙烯烯烯烯醇醇醇醇涂涂涂涂着着着着于于于于微微微微米米米米级级级级镍镍镍镍薄薄薄薄片片片片上上上上，，，，与与与与单单单单体溶液混合后再聚合成凝胶。
体溶液混合后再聚合成凝胶体溶液混合后再聚合成凝胶体溶液混合后再聚合成凝胶 16 (4)电场敏感性凝胶电场敏感性凝胶 在在在在电电电电场场场场刺刺刺刺激激激激下下下下，，，，能能能能产产产产生生生生溶溶溶溶胀胀胀胀和和和和收收收收缩缩缩缩并并并并将将将将电电电电能转变为机械能的凝胶能转变为机械能的凝胶能转变为机械能的凝胶能转变为机械能的凝胶. .构构构构成成成成：：：：聚聚电电解解质质凝凝胶胶————聚聚聚聚合合合合物物物物网网网网络络络络结结结结构构构构中中中中键键键键合离子化基团合离子化基团合离子化基团合离子化基团机机机机理理理理：：：：溶溶溶溶液液液液中中中中自自由由离离子子在在在在直直直直流流流流电电电电场场场场作作作作用用用用下下下下的的的的定定向向移动移动造成造成造成造成：：●凝凝胶胶内内不不同同部部位位pH值值不不同同，，，，从从从从而而而而影影响响凝凝凝凝胶胶胶胶中中中中聚聚聚聚电电电电解解解解质质质质电电离离状状态态，，，，使使使使凝凝凝凝胶胶胶胶结结结结构构构构发发发发生变化，产生变形生变化，产生变形生变化，产生变形生变化，产生变形●凝胶内外离子浓度不均凝胶内外离子浓度不均，产生，产生，产生，产生渗透压变化渗透压变化引起凝胶变形。
引起凝胶变形引起凝胶变形引起凝胶变形 17 接接接接触触触触电电电电场场场场：：：：部部部部分分分分水水水水解解解解的的的的聚聚聚聚丙丙丙丙烯烯烯烯酰酰酰酰胺胺胺胺凝凝凝凝胶胶胶胶浸浸浸浸入入入入50%50%的丙酮水溶液中的丙酮水溶液中的丙酮水溶液中的丙酮水溶液中 应用：化学开关、药物释放体系、人工肌肉应用：化学开关、药物释放体系、人工肌肉应用：化学开关、药物释放体系、人工肌肉应用：化学开关、药物释放体系、人工肌肉非接触电场：聚乙烯醇非接触电场：聚乙烯醇非接触电场：聚乙烯醇非接触电场：聚乙烯醇(PVA)(PVA)与聚丙烯酸与聚丙烯酸与聚丙烯酸与聚丙烯酸(PAA)(PAA)共混物弯曲共混物弯曲共混物弯曲共混物弯曲 18 4.3.2 化学刺激响应性化学刺激响应性(1) pH敏感性凝胶敏感性凝胶随随随随pHpH值的变化发生溶胀或收缩的凝胶值的变化发生溶胀或收缩的凝胶值的变化发生溶胀或收缩的凝胶值的变化发生溶胀或收缩的凝胶结结结结构构构构特特特特征征征征：：：：网网网网络络络络中中中中含含含含有有有有大大大大量量量量易易易易水水水水解解解解或或或或质质质质子子子子化化化化的的的的酸、碱基团酸、碱基团酸、碱基团酸、碱基团( (如羧基或氨基如羧基或氨基如羧基或氨基如羧基或氨基) )。
机机机机理理理理：：：：随随随随外外外外界界界界pHpH值值值值变变变变化化化化，，，，酸酸酸酸、、、、碱碱碱碱基基基基团团团团的的的的解解解解离离离离或或或或质质质质子子子子化化化化程程程程度度度度相相相相应应应应改改改改变变变变，，，，导导导导致致致致聚聚聚聚合合合合物物物物网网网网络络络络结构单元的离子键或氢键状态改变结构单元的离子键或氢键状态改变结构单元的离子键或氢键状态改变结构单元的离子键或氢键状态改变；；；； 19 (1) pH敏感性凝胶敏感性凝胶★★壳壳壳壳聚聚聚聚糖糖糖糖(CS(CS－－－－NHNH2 2) )与与与与聚聚聚聚丙丙丙丙二二二二醇醇醇醇聚聚聚聚醚醚醚醚(PE)(PE)的的的的半半半半互穿聚合物互穿聚合物互穿聚合物互穿聚合物★★聚丙烯酸（羧基电离）聚丙烯酸（羧基电离） 高高高高pHpH值：溶胀值：溶胀值：溶胀值：溶胀 低低低低pHpH值：收缩值：收缩值：收缩值：收缩酸性酸性酸性酸性pHpH值：溶胀；碱性值：溶胀；碱性值：溶胀；碱性值：溶胀；碱性pHpH值：收缩值：收缩值：收缩值：收缩 20 (2)化学物质响应凝胶化学物质响应凝胶因特定物质的刺激而发生溶胀和收缩的凝胶。
因特定物质的刺激而发生溶胀和收缩的凝胶因特定物质的刺激而发生溶胀和收缩的凝胶因特定物质的刺激而发生溶胀和收缩的凝胶应用：药物释放凝胶体系应用：药物释放凝胶体系应用：药物释放凝胶体系应用：药物释放凝胶体系————————依据病灶引起的化学依据病灶引起的化学依据病灶引起的化学依据病灶引起的化学物质的变化进行自反馈，通过凝胶的溶胀与物质的变化进行自反馈，通过凝胶的溶胀与物质的变化进行自反馈，通过凝胶的溶胀与物质的变化进行自反馈，通过凝胶的溶胀与收缩控制药物释放的通、断收缩控制药物释放的通、断收缩控制药物释放的通、断收缩控制药物释放的通、断例：例：例：例：胰岛素释放体系胰岛素释放体系——对葡萄糖响应对葡萄糖响应 21 22 4.3.3 双重响应智能凝胶双重响应智能凝胶(1) 温度和温度和pH敏感凝胶敏感凝胶可同时响应温度和可同时响应温度和可同时响应温度和可同时响应温度和pHpH用于：药物释放载体用于：药物释放载体用于：药物释放载体用于：药物释放载体异异丙丙基基丙丙烯烯酰酰胺胺 温温温温敏敏敏敏性性性性丙烯酸丙烯酸 pHpH敏感敏感敏感敏感二者的共聚物二者的共聚物二者的共聚物二者的共聚物＋＋ 23 4.3.3 双重响应智能凝胶双重响应智能凝胶(2)热、光敏感凝胶热、光敏感凝胶机理一：以热响应性分子和光敏性分子合成机理一：以热响应性分子和光敏性分子合成机理一：以热响应性分子和光敏性分子合成机理一：以热响应性分子和光敏性分子合成凝胶，利用紫外线进行离子化，引凝胶，利用紫外线进行离子化，引凝胶，利用紫外线进行离子化，引凝胶，利用紫外线进行离子化，引起凝胶溶胀。
起凝胶溶胀起凝胶溶胀起凝胶溶胀机理二：将热响应性分子与吸光产热分子合机理二：将热响应性分子与吸光产热分子合机理二：将热响应性分子与吸光产热分子合机理二：将热响应性分子与吸光产热分子合成凝胶，光吸收时局部温度上升，成凝胶，光吸收时局部温度上升，成凝胶，光吸收时局部温度上升，成凝胶，光吸收时局部温度上升，凝胶收缩凝胶收缩凝胶收缩凝胶收缩如：含少量无色三苯基甲烷氰基的如：含少量无色三苯基甲烷氰基的如：含少量无色三苯基甲烷氰基的如：含少量无色三苯基甲烷氰基的PNIPAPNIPA凝胶如：如：如：如：PNIPA和叶绿酸网络组成的凝胶和叶绿酸网络组成的凝胶 24 (3)pH、光敏感凝胶、光敏感凝胶同时具备偶氮生色团和亲水性的羧基同时具备偶氮生色团和亲水性的羧基同时具备偶氮生色团和亲水性的羧基同时具备偶氮生色团和亲水性的羧基如：将侧链含偶氮苯基的丙烯酰氨基偶氮苯如：将侧链含偶氮苯基的丙烯酰氨基偶氮苯如：将侧链含偶氮苯基的丙烯酰氨基偶氮苯如：将侧链含偶氮苯基的丙烯酰氨基偶氮苯单体单体单体单体(AAAB)(AAAB)与丙烯酸与丙烯酸与丙烯酸与丙烯酸(AA)(AA)共聚合成共聚合成共聚合成共聚合成P(AA-co-AAAB)P(AA-co-AAAB)。
同时具有光致异构分子和易解离基团的凝胶同时具有光致异构分子和易解离基团的凝胶同时具有光致异构分子和易解离基团的凝胶同时具有光致异构分子和易解离基团的凝胶 25 (4)磁性、热敏感凝胶磁性、热敏感凝胶FeFe3 3OO4 4与与与与PNIPAPNIPA共聚共聚共聚共聚→→FeFe3 3OO4 4/P(St-NIPA)/P(St-NIPA)凝胶微球凝胶微球凝胶微球凝胶微球同时具有磁分离特性和热敏特性同时具有磁分离特性和热敏特性同时具有磁分离特性和热敏特性同时具有磁分离特性和热敏特性用于：蛋白和酶的纯化、回收以及酶的固定化等用于：蛋白和酶的纯化、回收以及酶的固定化等用于：蛋白和酶的纯化、回收以及酶的固定化等用于：蛋白和酶的纯化、回收以及酶的固定化等 26 4.4 智能高分子凝胶的应用智能高分子凝胶的应用 通过外界环境刺激导致凝胶网络结构即凝胶内部通过外界环境刺激导致凝胶网络结构即凝胶内部通过外界环境刺激导致凝胶网络结构即凝胶内部通过外界环境刺激导致凝胶网络结构即凝胶内部孔眼尺寸及凝胶致密程度发生变化，从而控制能孔眼尺寸及凝胶致密程度发生变化，从而控制能孔眼尺寸及凝胶致密程度发生变化，从而控制能孔眼尺寸及凝胶致密程度发生变化，从而控制能通过凝胶的物质的大小、形状，分离大小或形状通过凝胶的物质的大小、形状，分离大小或形状通过凝胶的物质的大小、形状，分离大小或形状通过凝胶的物质的大小、形状，分离大小或形状不同的溶质。
不同的溶质不同的溶质不同的溶质1）分离功能材料）分离功能材料 将需分离出的组分结合到凝胶上，然后通过外将需分离出的组分结合到凝胶上，然后通过外将需分离出的组分结合到凝胶上，然后通过外将需分离出的组分结合到凝胶上，然后通过外界环境的转变使被结合的组分释放出来，达到界环境的转变使被结合的组分释放出来，达到界环境的转变使被结合的组分释放出来，达到界环境的转变使被结合的组分释放出来，达到分离的目的分离的目的分离的目的分离的目的分离机理分离机理● ●扩散分离扩散分离：：：：● ●吸附分离和络合分离吸附分离和络合分离：：：： 27 优点：优点：ü容易再生，可反复使用；容易再生，可反复使用；容易再生，可反复使用；容易再生，可反复使用；ü耗能少，不需高温高压；耗能少，不需高温高压；耗能少，不需高温高压；耗能少，不需高温高压；ü对分离对象无破坏；对分离对象无破坏；对分离对象无破坏；对分离对象无破坏；ü可可可可根根根根据据据据要要要要分分分分离离离离和和和和浓浓浓浓缩缩缩缩的的的的生生生生物物物物物物物物质质质质的的的的分分分分子子子子大大大大小和分子性质设计凝胶的交联密度小和分子性质设计凝胶的交联密度。
小和分子性质设计凝胶的交联密度小和分子性质设计凝胶的交联密度 28 污泥脱水污泥脱水————聚乙烯基甲基醚聚乙烯基甲基醚(PVME)凝胶海绵吸收凝胶海绵吸收凝胶海绵吸收凝胶海绵吸收污泥中的水分，污泥脱水后得到浓缩，污泥中的水分，污泥脱水后得到浓缩，污泥中的水分，污泥脱水后得到浓缩，污泥中的水分，污泥脱水后得到浓缩，分离再生吸水溶胀的凝胶可循环利用分离再生吸水溶胀的凝胶可循环利用分离再生吸水溶胀的凝胶可循环利用分离再生吸水溶胀的凝胶可循环利用 应应 用用 29 选择性识别、吸附和释放铅离子等有毒重金属离子选择性识别、吸附和释放铅离子等有毒重金属离子选择性识别、吸附和释放铅离子等有毒重金属离子选择性识别、吸附和释放铅离子等有毒重金属离子生物分离生物分离：蛋白质、酶、微生物等活性物质；：蛋白质、酶、微生物等活性物质；：蛋白质、酶、微生物等活性物质；：蛋白质、酶、微生物等活性物质；电解质的浓缩分离：电解质的浓缩分离：丙烯酸和异丙基丙烯酰胺共聚凝胶含有的丙烯酸和异丙基丙烯酰胺共聚凝胶含有的丙烯酸和异丙基丙烯酰胺共聚凝胶含有的丙烯酸和异丙基丙烯酰胺共聚凝胶含有的螯合基螯合基团团(羧基羧基)可与二价金属离子形成配合物可与二价金属离子形成配合物。
加热时加热时凝胶收缩凝胶收缩，基团靠拢而形成，基团靠拢而形成，基团靠拢而形成，基团靠拢而形成捕获金属离子捕获金属离子的特性的特性的特性的特性位点，凝胶再次位点，凝胶再次位点，凝胶再次位点，凝胶再次溶胀释放溶胀释放出截留的出截留的出截留的出截留的金属离子金属离子，从，从，从，从而达到分离的目的而达到分离的目的而达到分离的目的而达到分离的目的 30 (2)运动功能材料运动功能材料机械能机械能机械能机械能化学能或物理能化学能或物理能化学能或物理能化学能或物理能效果：交替供给冷、温水时，凝胶反复溶胀与收缩，效果：交替供给冷、温水时，凝胶反复溶胀与收缩，效果：交替供给冷、温水时，凝胶反复溶胀与收缩，效果：交替供给冷、温水时，凝胶反复溶胀与收缩，单丝收缩应力单丝收缩应力2.94mN，相当于肌肉的，相当于肌肉的，相当于肌肉的，相当于肌肉的1/101/10～～～～1/3 1/3 ，其伸缩动作时间＜，其伸缩动作时间＜，其伸缩动作时间＜，其伸缩动作时间＜1s1s人工肌肉人工肌肉：：：：聚乙烯基甲基醚聚乙烯基甲基醚(PVME)水凝胶水凝胶(LCST38(LCST38℃℃℃℃) ) 赋形用高赋形用高分子分子＋＋结构：多孔泡沫状；结构：多孔泡沫状；结构：多孔泡沫状；结构：多孔泡沫状；形状：集束纤维状；形状：集束纤维状；形状：集束纤维状；形状：集束纤维状； 31 (3)生物反应器／酶的活性控制生物反应器／酶的活性控制●自动控制自动控制:将酶固定在温敏性将酶固定在温敏性将酶固定在温敏性将酶固定在温敏性PVMEPVME或或或或PNIPAPNIPA凝胶中凝胶中凝胶中凝胶中●人人为为控控制制：：：：将将将将蔗蔗蔗蔗糖糖糖糖转转转转化化化化酶酶酶酶固固固固定定定定在在在在含含含含FeFe2 2OO3 3的的的的PNIPAPNIPA圆圆圆圆柱柱柱柱形形形形凝凝凝凝胶胶胶胶中中中中。
外外外外加加加加磁磁磁磁场场场场使使使使凝凝凝凝胶胶胶胶温温温温度度度度上升，体积收缩，蔗糖降解速度下降上升，体积收缩，蔗糖降解速度下降上升，体积收缩，蔗糖降解速度下降上升，体积收缩，蔗糖降解速度下降有效控制底物转化和产物生成的速度有效控制底物转化和产物生成的速度有效控制底物转化和产物生成的速度有效控制底物转化和产物生成的速度淀粉转葡糖苷酶的活性控制淀粉转葡糖苷酶的活性控制在在在在LCSTLCST以下：随温度上升，酶的活性提高以下：随温度上升，酶的活性提高以下：随温度上升，酶的活性提高以下：随温度上升，酶的活性提高达达达达到到到到LCSTLCST后后后后：：：：凝凝凝凝胶胶胶胶高高高高度度度度脱脱脱脱水水水水收收收收缩缩缩缩，，，，结结结结构构构构变变变变得得得得致致致致密密密密，，，，基基基基质质质质和和和和生生生生成成成成物物物物等等等等亲亲亲亲水水水水性性性性物物物物质质质质的的的的通通通通透透透透性下降，酶的活性急剧降低性下降，酶的活性急剧降低性下降，酶的活性急剧降低性下降，酶的活性急剧降低 32 (4)细胞培养基质细胞培养基质 将将将将聚聚聚聚异异异异丙丙丙丙基基基基丙丙丙丙烯烯烯烯酰酰酰酰胺胺胺胺接接接接枝枝枝枝到到到到聚聚聚聚苯苯苯苯乙乙乙乙烯烯烯烯培培培培养养养养板板板板表表表表面面面面形形形形成成成成一一一一层层层层薄薄薄薄膜膜膜膜，，，，将将将将细细细细胞胞胞胞在在在在凝凝凝凝胶胶胶胶表表表表面面面面层层层层于于于于37℃℃ 培培养养。
凝凝胶胶表表面面呈呈现现疏疏水水性性，，与与细细胞胞很很好好地地粘粘附附细细细细胞胞胞胞成成成成熟熟熟熟后后后后，，，，将将将将温温度度降降至至20℃℃，，，，凝凝胶胶表表面面变变得得亲亲水，细胞自动从表面脱附水，细胞自动从表面脱附细胞成活率细胞成活率细胞成活率细胞成活率73%73%，传统的酶洗脱法仅，传统的酶洗脱法仅，传统的酶洗脱法仅，传统的酶洗脱法仅14%14%降温降温 33 (5)在组织工程中的应用在组织工程中的应用基本思路：首先在体外分离、培养细胞，然后将一基本思路：首先在体外分离、培养细胞，然后将一基本思路：首先在体外分离、培养细胞，然后将一基本思路：首先在体外分离、培养细胞，然后将一定量的细胞种植到具有一定形状的三维定量的细胞种植到具有一定形状的三维定量的细胞种植到具有一定形状的三维定量的细胞种植到具有一定形状的三维生物材料骨架内，并加以持续培养，最生物材料骨架内，并加以持续培养，最生物材料骨架内，并加以持续培养，最生物材料骨架内，并加以持续培养，最终形成具有一定结构的组织和器官终形成具有一定结构的组织和器官终形成具有一定结构的组织和器官终形成具有一定结构的组织和器官。
凝胶凝胶——作为组织重建和植入的人工细胞外基质作为组织重建和植入的人工细胞外基质例：以软骨细胞与例：以软骨细胞与例：以软骨细胞与例：以软骨细胞与I I型胶原冷冻干燥后经戊二醛交联型胶原冷冻干燥后经戊二醛交联型胶原冷冻干燥后经戊二醛交联型胶原冷冻干燥后经戊二醛交联得到的泡沫得到的泡沫得到的泡沫得到的泡沫( (平均孔径平均孔径平均孔径平均孔径86μm86μm，孔隙率，孔隙率，孔隙率，孔隙率8787％％％％) )可制可制可制可制备备备备软骨细胞软骨细胞/胶原复合材料胶原复合材料，且使其负载碱性成，且使其负载碱性成，且使其负载碱性成，且使其负载碱性成纤细胞生长因子后纤细胞生长因子后纤细胞生长因子后纤细胞生长因子后植入鼠体植入鼠体，，，，4周后形成新成周后形成新成熟软骨熟软骨 34 (6)调光材料调光材料●对激光的透过能力调节对激光的透过能力调节：：：：●参数可调控光学镜片参数可调控光学镜片：：：：通过红外辐照使凝胶局部变热，出现塌陷微区，通过红外辐照使凝胶局部变热，出现塌陷微区，通过红外辐照使凝胶局部变热，出现塌陷微区，通过红外辐照使凝胶局部变热，出现塌陷微区，当微区大小与激光波长相当时，入射激光被散射，当微区大小与激光波长相当时，入射激光被散射，当微区大小与激光波长相当时，入射激光被散射，当微区大小与激光波长相当时，入射激光被散射，导致凝胶对可见激光的透过率降低导致凝胶对可见激光的透过率降低导致凝胶对可见激光的透过率降低导致凝胶对可见激光的透过率降低————制作自动制作自动制作自动制作自动调光玻璃。
调光玻璃调光玻璃调光玻璃将将将将电场敏感凝胶电场敏感凝胶加工成上下底面均为平面的圆柱加工成上下底面均为平面的圆柱加工成上下底面均为平面的圆柱加工成上下底面均为平面的圆柱体，在体，在体，在体，在外加电场下外加电场下，凝胶体的上，凝胶体的上，凝胶体的上，凝胶体的上表面凸出或凹陷表面凸出或凹陷( (程度取决于外加电场的强度程度取决于外加电场的强度程度取决于外加电场的强度程度取决于外加电场的强度) )，从而可，从而可，从而可，从而可调节材料调节材料的焦距的焦距等基本光学参数等基本光学参数等基本光学参数等基本光学参数 35 (7)可视化光学传感材料可视化光学传感材料机理机理：水凝胶所含分子识别：水凝胶所含分子识别：水凝胶所含分子识别：水凝胶所含分子识别基团与分析物基团与分析物基团与分析物基团与分析物( (金属金属金属金属离子和葡萄糖离子和葡萄糖离子和葡萄糖离子和葡萄糖) )反应反应反应反应使水凝胶可逆溶胀和使水凝胶可逆溶胀和使水凝胶可逆溶胀和使水凝胶可逆溶胀和收缩，结晶胶体阵列收缩，结晶胶体阵列收缩，结晶胶体阵列收缩，结晶胶体阵列衍射光的波长随分析衍射光的波长随分析衍射光的波长随分析衍射光的波长随分析物浓度的变化而单调物浓度的变化而单调物浓度的变化而单调物浓度的变化而单调变化。
变化水凝胶内聚合直径约水凝胶内聚合直径约水凝胶内聚合直径约水凝胶内聚合直径约100 nm100 nm的的的的聚合物微球结晶胶聚合物微球结晶胶体阵列体阵列(PCCA)——响应特异分析物的存在及浓度响应特异分析物的存在及浓度响应特异分析物的存在及浓度响应特异分析物的存在及浓度 36 将葡萄糖氧化酶将葡萄糖氧化酶将葡萄糖氧化酶将葡萄糖氧化酶(Gox)(Gox)与聚苯乙烯胶体的与聚苯乙烯胶体的与聚苯乙烯胶体的与聚苯乙烯胶体的PCCAPCCA结合 GoxGox在葡萄糖代谢时还原成阴离子而溶胀在葡萄糖代谢时还原成阴离子而溶胀在葡萄糖代谢时还原成阴离子而溶胀在葡萄糖代谢时还原成阴离子而溶胀智能聚合结晶胶体阵列智能聚合结晶胶体阵列(IPCCA)葡萄糖传感器葡萄糖传感器 37 (8)表面图案技术表面图案技术 将将将将金溅涂在聚异丙基丙烯酰胺表面金溅涂在聚异丙基丙烯酰胺表面，使其在，使其在，使其在，使其在凝胶表面形成凝胶表面形成凝胶表面形成凝胶表面形成金方格阵列金方格阵列，其阵列空间可作为光，其阵列空间可作为光，其阵列空间可作为光，其阵列空间可作为光衍射的狭缝，从而构成二维衍射的狭缝，从而构成二维衍射的狭缝，从而构成二维衍射的狭缝，从而构成二维光栅光栅。
凝胶发生凝胶发生凝胶发生凝胶发生体积相转变体积相转变时，时，时，时，狭缝尺度改变，衍射狭缝尺度改变，衍射图案随之改变图案随之改变可望用于光纤、传感器和光通讯中可望用于光纤、传感器和光通讯中可望用于光纤、传感器和光通讯中可望用于光纤、传感器和光通讯中 以智能凝胶为载体，将以智能凝胶为载体，将以智能凝胶为载体，将以智能凝胶为载体，将药物包埋在凝胶或药物包埋在凝胶或由凝胶制成的胶囊中由凝胶制成的胶囊中————————智能药物释放体系智能药物释放体系智能药物释放体系智能药物释放体系9)药物释放载体药物释放载体 。