异丙基丙烯酰胺（n异丙基丙烯酰胺温敏原理）

异丙基丙烯酰胺(n异丙基丙烯酰胺的温度敏感原理)

近年来，智能材料越来越受到研究人员的重视，智能材料能够通过自主改变自身的结构、特性和功能，快速响应周围环境的变化。聚(N-异丙基丙烯酰胺)(PNIPAM)是一种温度敏感聚合物，具有低临界溶解温度(LCST)。以其为基础制备的PNIPAM基水凝胶体积、透过率和亲水性温度可调，是一种应用广泛的刺激响应型智能材料，在智能驱动、光学、生物医学等领域具有重要的应用价值(图1)。近日，天津大学材料学院冯伟教授团队全面综述了基于PNIPAM的智能水凝胶在智能驱动器、光子晶体、智能窗、药物递送和组织工程等领域的相关研究，以《基于聚(N-异丙基丙烯酰胺)的智能水凝胶:设计、性质和应用》发表在《材料科学进展》杂志(doi: 10.1016/J. PMATSCI。20702).主要内容包括以下几个部分:

1.利用PNIPAM基智能水凝胶的温度敏感性，研究PNIPAM基智能水凝胶在智能执行器、光学和生物医学领域的应用。

1.基于PNIPAM的水凝胶智能驱动器

当环境温度在LCST特征温度附近变化时，PNIPAM基水凝胶可以吸水膨胀脱水收缩，产生明显的体积变化。当体系出现不均匀的溶胀和收缩时，PNIPAM基智能水凝胶可以产生弯曲、折叠、扭曲等宏观变形。目前，PNIPAM基水凝胶制成的智能致动器可分为以下几类:双层结构、梯度结构、图案化结构和局部刺激(图2)。

2.2的类型。基于PNIPAM的智能水凝胶致动器:双层结构、梯度结构、图案化结构和局部刺激。

1.1.双层结构

该双层PNIPAM基水凝胶驱动器的一层是PNIPAM基水凝胶，另一层可以是水凝胶材料或非凝胶材料。在温度的刺激下，两层的膨胀/收缩是不同的，这样一层的膨胀/收缩就会受到另一层的约束。所以一层材料会受到拉力，另一层材料会受到压力，双层材料会通过弯曲等运动释放内应力。目前，PAAm、PCL、TPU、PDMS等材料可以与PNIPAM基水凝胶结合构建双层结构，实现弯曲变形。此外，通过添加其他功能材料(如荧光材料)，可以实现弯曲变形，还可以获得颜色变化和形状记忆的功能。

1.2.梯度结构

在单层PNIPAM基智能水凝胶中构建具有梯度分布的聚合物链、交联密度、填料或孔隙，也可以实现不均匀的溶胀和收缩，从而引起形状变化。如图3所示，利用光在材料中有限的穿透能力，以及材料在电场、磁场、沉淀、离心和自然渗透过程中的运动，可以在单层PNIPAM基水凝胶中构建这种梯度结构。

图3。利用光在材料中有限的穿透能力和材料在电场、磁场中的运动，构建单层PNIPAM基水凝胶的梯度结构。

1.3.图案化结构

在自然界中，植物纤维器官通常由在基质中形成图案的细长纤维组成；当环境湿度变化时，基质和纤维的膨胀差异会导致植物器官的形状变化。受这种结构的启发，研究人员在单层PNIPAM基水凝胶表面构建了具有不同化学结构的区域。当温度变化时，这些结构不同的区域会在平面内产生不均匀的膨胀和收缩，从而导致变形。

1.4.局部刺激

对于具有均匀结构的基于PNIPAM的水凝胶，通过施加不均匀的外部刺激也可以实现不均匀的膨胀和收缩。因为这种不均匀的膨胀和收缩主要取决于外界刺激的方式，所以理论上，通过改变外界刺激方式，同一个样品可以发生无数次不同的变形。

2.2的光学应用。PNIPAM基水凝胶

光学材料可以通过吸收、散射、反射和干涉等物理现象操纵光，从而表现出独特的光学特性。在温度的刺激下，PNIPAM基水凝胶的体积和透光率会发生变化，这使其在光子晶体、智能窗等领域具有重要的应用潜力。

2.1.刺激响应光子晶体

如图4所示，PNIPAM基水凝胶可以构建胶体晶体、反蛋白石结构、布拉格堆积结构、标准具等光子晶体结构。在温度的刺激下，PNIPAM基水凝胶会发生膨胀和收缩，从而改变光子晶体的周期性排列，导致光子晶体的光子带隙和颜色发生变化。

图4 pni PAM基水凝胶制备的光子晶体结构:胶体晶体，反蛋白石结构，布拉格堆积和标准具。

2.2.智能窗口

当温度在LCST特征温度附近变化时，PNIPAM基水凝胶的透光率会发生变化。利用这一特性制备的PNIPAM基水凝胶智能窗可以控制光的透过率，实现对太阳能的调制。如图5所示，将光热材料结合到PNIPAM水凝胶中，可以制成适应气候变化的智能窗户，窗户可以主动阻挡强烈的阳光。

图5。复合光热转换剂构建的基于PNIPAM的具有气候适应性的水凝胶智能窗

3.3的应用。PNIPAM基水凝胶在生物医学领域的应用

由于PNIPAM基水凝胶的LCST接近人体体温，因此从生理学角度来看，其在生物医学领域的应用具有吸引力。此外，PNIPAM基智能水凝胶具有高含水量、可变形性、与其他聚合物共聚的能力以及促进细胞生长的能力，这也促进了其在药物释放和组织工程中的应用。

3.1.药物输送

在高于LCST的温度下，PNIPAM聚合物链中的异丙基之间的分子内和分子间疏水作用可以实现PNIPAM的热致物理交联，从而制备可注射水凝胶药物载体。如图6所示，PNIPAM基水凝胶可以被降解，并且通过与可降解组分的共聚可以促进药物释放。

图6。基于PNIPAM的兼具可注射性和生物可降解性的智能水凝胶药物载体

3.2.组织工程学

在组织工程领域，基于PNIPAM的水凝胶可用作细胞支架和细胞切片技术。当用作细胞支架时，通常需要对其进行改性以获得生物相容性和生物降解性。在制备细胞片时，利用PNIPAM基水凝胶在温度变化时的亲水性和疏水性变化，可以实现细胞片的吸附和脱离。

4.结论与展望。

基于PNIPAM的智能水凝胶在许多领域显示出巨大的应用前景，但要实现其商业化应用，还需要在响应速度、机械强度、精确定位等方面进一步提高。此外，结合仿生技术，有望制备新结构的PNIPAM基智能水凝胶，全面实现智能仿生；此外，还可以通过多功能复配，进一步促进其在诸多领域的应用。

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