智能软材料-水凝胶
水凝胶和智能材料的应用
水凝胶和智能材料的应用随着科技的不断发展，越来越多的材料被研发出来，其中水凝胶和智能材料备受瞩目。
水凝胶是一种高水分子物质，其具有许多独特的性质，如高吸水性、高透湿性和可控制的形状变化等。
智能材料则是指能够感应外界环境并做出响应的材料，具有广泛的应用领域。
本文将分别介绍水凝胶和智能材料的应用，以及它们的未来发展前景。
一、水凝胶的应用1.医学领域：水凝胶由于具有高吸水性、透湿性和生物相容性，因此被广泛应用于医学领域。
例如，水凝胶可以制成医用敷料，能够吸收伤口渗出的液体，并且保持伤口湿润，促进伤口愈合。
此外，水凝胶还可以用于制造人工关节、支架和缓释药物等医疗器械。
2.绿色建材：水凝胶可以制成多孔性材料，具有良好的保温性能和吸声性能，因此可以用于制造绿色建材，如墙面板、屋顶隔热材料等。
同时，水凝胶还可以用于城市污水处理，可以将有害物质通过吸附分离的方式去除。
3.食品加工：水凝胶可以被用作食品加工的添加剂，目前已被广泛应用于果冻、奶酪、冰淇淋等食品中，能够增加食品的质地和口感。
4.环保领域：水凝胶制成的多孔性吸水材料可以被用于水资源的处理和保护。
例如，可以将水凝胶材料散布在植被中，使其吸收降雨水并逐渐释放，从而实现土壤保水和植被生长。
二、智能材料的应用1.医疗领域：智能材料由于其能够对外界环境做出快速响应的特性，在医学领域得到广泛应用。
例如，智能贴片可用于测量人体生理数据，智能隐形眼镜可以感应眼液的湿度，自适应调节镜头的曲率，从而改善视力。
2.航空航天：智能材料能够感应飞行器的外界环境，经过反应后能够自动调整飞行器的姿态和速度，从而提高飞行器的稳定性和安全性。
3.智能家居：智能材料在家居领域中应用广泛，例如，能够感应外界环境的智能门开关、自动调节室内温度的智能窗帘、根据光线强度自动调节亮度的智能灯等。
4.电子产品：智能材料可以使电子产品更加智能化和便携化，例如，折叠屏幕、智能手表等。
三、水凝胶和智能材料的未来发展随着科技的不断进步，水凝胶和智能材料的应用领域将不断扩大。
智能高分子及水凝胶的响应性及其应用
2、挑战
2、挑战
仿生智能高分子水凝胶材料仍面临以下挑战：首先，材料的物理化学性质需 要进一步优化，以提高其生物相容性和细胞黏附性；其次，材料的机械性能需要 进一步提高，以适应更为复杂和严苛的应用环境；最后，材料的降解性能需要进 一步调控，从而实现材料的可降解性和生物相容性的平衡。
3、未来发展方向
智能高分子及水凝胶的响应 性及其应用
01 引言
03 应用领域
目录
02 响应性分析 04 参考内容
引言
引言
智能高分子和水凝胶是一类能够对外界刺激产生响应的特殊材料。它们具备 优越的适应性、敏感性和智能性，因此被广泛应用于各个领域。本次演示将重点 探讨智能高分子和水凝胶的响应性及其在组织工程、药物传输、传感器和结构改 性等方面的应用，并对未来发展进行展望。
五、结论
五、结论
仿生智能高分子水凝胶材料的设计制备及其生物应用具有重要的意义。这种 材料具有良好的生物相容性、细胞黏附性和智能响应性，可以作为药物载体、细 胞培养基质和组织工程支架等。未来，随着科学技术的不断发展和进步，仿生智 能高分子水凝胶材料将有望在生物医学领域发挥更为重要的作用。
谢谢观看
4、结构改性
2、拓展刺激种类：目前，大多数智能高分子和水凝胶主要对一种刺激产生响 应。未来可以研究能够同时对多种刺激产生响应的材料，提高其应用范围。
4、结构改性
3、实现多级响应：未来的智能高分子和水凝胶可以实现在不同层次上的响应， 例如微观结构和宏观形状的双重响应。这将有助于进一步拓展其应用领域，例如 在软机器人制造和仿生工程中发挥作用。
三、仿生智能高分子水凝胶材料 的生物应用
1、细胞培养
1、细胞培养
仿生智能高分子水凝胶材料可以作为细胞培养基质，提供细胞生长所需的营 养和环境。这种材料可以模拟生物组织的结构和功能，有利于细胞的黏附、增殖 和分化。同时，通过调节材料的物理化学性质，可以控制细胞的生长和分化，从 而应用于药物筛选和疾病治疗研究。
ucst型相变水凝胶
ucst型相变水凝胶
UCST型相变水凝胶是一种基于聚丙烯酸（PAAc）和聚丙烯酰胺（PAAm）
复合物的水凝胶。
这种水凝胶在特定的温度下会发生相变，即从液态转变为固态或从固态转变为液态。
这种相变行为可以用于许多应用，例如温度敏感的软机器人、智能材料、自适应材料和热能储存等。
通过非均相光聚合的方法，可以制备出双层UCST型相变水凝胶。
这种水凝胶包括一层PAAm/PAAc互穿网络（IPN）和一层单网PAAm。
当冷却到UCST 以下时，PAAm/PAAc层会因为两种聚合物强烈的氢键作用而收缩，而PAAm层处于溶胀状态，从而驱使凝胶产生卷曲，甚至可以变成复杂的2D/3D形状。
UCST型相变水凝胶的相变行为可以通过改变聚合物浓度、交联密度和温度
等因素进行调控。
此外，由于两层之间的内部水交换，这种水凝胶可以在水浴和油浴中都表现出良好的响应性。
总之，UCST型相变水凝胶是一种具有温度敏感相变行为的智能材料，可以用于许多领域的应用。
水凝胶
水凝胶（Hydrogel）,以水为分散介质的凝胶。
具有交联结构的水溶性高分子中引入一部分疏水基团而形成能遇水膨胀的交联聚合物。
是一种高分子网络体系，性质柔软，能保持一定的形状，能吸收大量的水。
凡是水溶性或亲水性的高分子，通过一定的化学交联或物理交联，都可以形成水凝胶。
一，水凝胶的分类：1，来源：1),天然水凝胶2），合成水凝胶2，性质：1），电中性水凝胶2），离子型水凝胶3，对外界刺激的反应情况：1），传统的水凝胶2），环境敏感水凝胶传统的水凝胶：这类水凝胶对环境的变化，如PH或温度的变化不敏感。
环境敏感水凝胶：这类水凝胶对温度或PH等环境因素的变化所给予的刺激有非常明确或显著地应答。
目前研究得最多的是温敏型和pH敏水凝胶。
所谓温敏是指在水或水溶液中这种凝胶的溶胀与收缩强烈的依赖于温度，凝胶体积在某一温区有突变，该温度称为临界溶液温度（lower critical solution temperature, LCST）。
pH敏感水凝胶是指聚合物溶胀与收缩随着环境的pH、离子强度的变化而变化。
二，水凝胶的性质：不同结构，不同化合物的水凝胶具有不同的物理化学性质如融变性、溶胀性、环境敏感性和粘附性。
一），溶胀性（swelling）是指凝胶吸收液体后自身体积明显增大的现象，是弹性凝胶的重要特性，凝胶的溶胀分为两个阶段：第一阶段：是溶剂分子钻入凝胶中与大分子相互作用形成溶剂化层，此过程很快，伴有放热效应和体积收缩现象（指凝胶体积的增加比吸收的液体体积小）第二阶段：是液体分子的继续渗透，这时凝胶体积大大增加。
二），环境敏感性环境敏感水凝胶又称智能水凝胶（smart hydrogels）,根据环境变化的类型不同，环境敏感水凝胶又分为如下几种类型：1，温（热）敏水凝胶2，pH敏感水凝胶3，电解质敏感水凝胶三），粘附性（adhesiveness）粘附或称粘着或粘结等。
一般指的是同种或两种不同的物质表面相粘结的现象。
智能水凝胶的设计与生物医学应用
智能水凝胶的设计与生物医学应用在当今科技飞速发展的时代，材料科学领域不断取得令人瞩目的创新成果，智能水凝胶便是其中之一。
智能水凝胶是一类能够对外界刺激（如温度、pH 值、光、电场、磁场等）产生响应，并相应地改变自身物理或化学性质的材料。
由于其独特的性能和广泛的应用潜力，智能水凝胶在生物医学领域引起了极大的关注，并成为了研究的热点。
智能水凝胶的设计是一个复杂而精细的过程，需要综合考虑多个因素，包括材料的选择、网络结构的构建以及刺激响应机制的引入。
首先，材料的选择至关重要。
常见的用于制备智能水凝胶的材料包括天然高分子（如壳聚糖、海藻酸钠、明胶等）和合成高分子（如聚丙烯酰胺、聚乙二醇等）。
天然高分子通常具有良好的生物相容性和生物可降解性，但机械性能相对较弱；而合成高分子则可以通过化学修饰来精确调控其性能，但生物相容性可能需要进一步优化。
因此，在实际设计中，常常会采用天然高分子与合成高分子的共混或共聚来获得性能更优越的水凝胶。
网络结构的构建对智能水凝胶的性能也有着重要影响。
交联密度是一个关键参数，它决定了水凝胶的力学强度和溶胀性能。
较高的交联密度通常会使水凝胶具有较高的强度，但溶胀能力会相应降低；反之，较低的交联密度则会使水凝胶更柔软且具有更好的溶胀性能。
此外，交联方式也多种多样，如化学交联、物理交联和混合交联等。
化学交联通常能够形成较为稳定的网络结构，但可能会引入一些有毒的交联剂；物理交联则更加温和，但其稳定性可能相对较差。
刺激响应机制的引入是智能水凝胶设计的核心。
不同的刺激响应机制赋予了水凝胶不同的功能。
例如，温度响应型水凝胶通常是通过引入具有低临界溶解温度（LCST）或高临界溶解温度（UCST）的聚合物链段来实现的。
当温度低于或高于特定值时，水凝胶会发生体积相变。
pH 响应型水凝胶则是利用聚合物链上的酸性或碱性基团在不同pH 环境中的解离或质子化来改变水凝胶的电荷状态和溶胀性能。
光响应型水凝胶通常含有光敏感基团，如偶氮苯、螺吡喃等，在光照下会发生构型或构象的变化，从而导致水凝胶的性能改变。
形状记忆水凝胶简介
智能玩具 软机器人
骨组织修复[6]
SSMH的 应用前景
智能纺织品
控释药物[7] 生物传感[8]
目录
1 超分子形状记忆水凝胶 (SSMH) 简介 2 SSMH实例 3 小结
2.1 一种三重记忆多应答水凝胶[9]
合成原料：壳聚糖 (CS) 、氧化葡萄糖 (Odex) 、丙烯酰胺 (AAm)
表1 该SSMH的刺激响应开关及其原理
SSMH
热刺激响应SSMH 化学物质刺激响应SSMH
PH刺激响应SSMH 光刺激响应SSMH 磁刺激响应SSMH
1.3 SSMH的优缺点[3]
SSMH
优点：变形度高、质轻 、成本低、易加工。
凝胶作为一个非平衡状态的开 放性体系，能够与外界进行能 量、物质、信息的交换可作为 传感器和化学反应场所，还能 载持、分离、缓释物质。
Thanks for your attentions!!
图2 在不同阳离子刺激下 SSMH的形状固定比率
图3 在不同外部条件刺激下 SSMH的形状恢复状况
2.2 目前研究中其他一些性能优异的SSMH
表2 几种性能优异的SSMH简介
SSMH
优势
一种引入DNA的SSMH[10]
可在硬质凝胶结构和柔软 无形态结构间转换
一种基于组分动态化学的 自愈凝胶[11]
➢ SSMH在作为一种智能软材料，在医疗方面有广阔应用前景， 应想办法提高SSMH的生物相容性和生物降解性。
➢ 现阶段研究中SSMH已经有了快速记忆/恢复以及形状固定/恢 复比例高的能力，可是两种能力结合到一个SSMH体系中却仍 有不足。
参考文献
[1] Lu W, Le X, Zhang J, et al. Supramolecular shape memory hydrogels: a new bridge between stimuliresponsive polymers and supramolecular chemistry[J]. Chemical Society Reviews, 2017, 46(5): 1284-1294. [2] 樊宇佼. 热致塑性形状记忆水凝胶的制备与表征[D]. 中国科学技术大学, 2016. [3] Harris R D, Auletta J T, Motlagh S A M, et al. Chemical and electrochemical manipulation of mechanical properties in stimuli-responsive copper-cross-linked hydrogels[J]. ACS Macro Letters, 2013, 2(12): 10951099. [4] Feng W, Zhou W, Dai Z, et al. Tough polypseudorotaxane supramolecular hydrogels with dual-responsive shape memory properties[J]. Journal of Materials Chemistry B, 2016, 4(11): 1924-1931. [5] Xiao Y Y, Gong X L, Kang Y, et al. Light-, pH-and thermal-responsive hydrogels with the triple-shape memory effect[J]. Chemical Communications, 2016, 52(70): 10609-10612. [6] Li Z, Lu W, Ngai T, et al. Mussel-inspired multifunctional supramolecular hydrogels with self-healing, shape memory and adhesive properties[J]. Polymer Chemistry, 2016, 7(34): 5343-5346. [7] Dong Z Q, Cao Y, Yuan Q J, et al. Redox‐and Glucose‐Induced Shape‐Memory Polymers[J]. Macromolecular rapid communications, 2013, 34(10): 867-872.
智能水凝胶的设计与应用
智能水凝胶的设计与应用智能水凝胶这玩意儿，听起来是不是挺高大上的？其实啊，它就在咱们的生活中有着不少神奇的应用。
我先给您讲讲啥是智能水凝胶。
这东西啊，就像是一种有“脑子”的果冻。
您别笑，真挺像的！它能根据周围环境的变化，比如说温度、酸碱度、电场啥的，改变自己的形状、大小或者性能。
就说温度吧，有一种智能水凝胶，温度一高，它就会收缩；温度一低，它又会膨胀。
这特性要是用好了，那可不得了。
比如在医疗领域，咱可以用它来制作药物缓释载体。
想象一下，把药包裹在这种水凝胶里，让它慢慢释放，多精准啊！而且这水凝胶还能根据人体内部的温度变化来调整释放速度。
我给您讲个我亲身经历的事儿。
有一次我感冒发烧，去医院看病。
医生就给我介绍了一种正在研究的新型治疗方式，其中就用到了智能水凝胶。
说是能更有效地把退烧药送到病灶部位，还能控制释放的速度和剂量。
我当时就想，这科技要是真能广泛应用，以后治病可就方便多了。
再说说酸碱度，有些智能水凝胶能对酸碱度做出反应。
这在生物传感器方面就有大用处啦。
比如说检测人体内的某些物质的酸碱度变化，从而及早发现疾病的迹象。
在工业上，智能水凝胶也能大展拳脚。
比如说在污水处理中，它可以吸附特定的污染物，而且还能根据污水的条件来调整吸附的效率。
还有在农业方面，智能水凝胶能帮助植物更好地吸收水分和养分。
我记得有一次去参观一个新型农业基地，就看到他们在试验用智能水凝胶来改良土壤的保水保肥能力。
那效果，真是让人眼前一亮。
设计智能水凝胶可不容易，得考虑好多因素呢。
就像做菜一样，各种“材料”和“配方”都得恰到好处。
比如说选择合适的单体、交联剂，控制反应条件等等。
这过程就像是一场精细的化学魔术。
总的来说，智能水凝胶这东西，虽然咱平时可能不太注意，但它的潜力巨大。
说不定未来的某一天，它会彻底改变咱们的生活，就像当初互联网的出现一样。
让咱们拭目以待吧！。
水凝胶的可控结构与功能研究
水凝胶的可控结构与功能研究水凝胶（hydrogel）是一种高度水合的网络化聚合物体系，通常由交联聚合物和水构成。
由于其高度保水性和可调控性，水凝胶被广泛应用于仿生学、医学、生物科学等领域，成为研究的热点之一。
本文将就水凝胶的可控结构与功能进行探讨，并介绍水凝胶在生物医学等领域的应用前景。
一、水凝胶的可控结构水凝胶的可控结构是指通过控制制备条件、交联度、聚合物种类、环境温度等因素，使水凝胶具有可调控的物理性质、微观结构等特点。
其中，交联度和聚合物种类是决定水凝胶结构的两个主要因素。
交联度是指聚合物链之间交联的数量和密度。
通过改变交联度，可以调节水凝胶的孔隙度、弹性模量、固体含量等物理性质。
同时，交联度的不同也会导致水凝胶的不同结构，如网络结构、微球或微胶粒等。
例如，低交联度的水凝胶往往具有大的孔隙度和较高的比表面积，容易吸附大分子物质。
高交联度的水凝胶则具有更高的弹性模量和更小的孔隙度，很适合用于组织工程和细胞培养。
聚合物种类是另一个决定水凝胶结构的重要因素。
不同的聚合物具有不同的交联性质、亲水性质和流变特性，会影响水凝胶结构和性质。
例如，天然聚合物如明胶、海藻酸等，易与细胞相容，可应用于细胞培养和组织工程。
而合成聚合物如聚丙烯酰胺（PAA）、聚酰胺等，则具有更强的力学性能和化学惰性，适合用于药物释放和生物传感器等领域。
二、水凝胶的可控功能水凝胶作为一种高可控的材料体系，具有很多独特的设计和生成优势。
通过对水凝胶的结构和成分进行调节，可以实现不同的物理、化学和生物学功能。
以下列举了几个典型的水凝胶可控功能。
1、智能响应性水凝胶具有智能响应性，改变物理、化学、环境条件时，会发生明显的体积变化、形状变化、荷电性变化等。
例如，水凝胶可以通过调节环境温度、pH、离子浓度等，实现智能释放、智能传感等功能。
这种响应性也可以用于制备智能响应性材料和器件，如人工肌肉、智能医药等。
2、组织工程水凝胶可以用于组织工程，即用于培养和重建人体组织。
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20
Constrained swelling
42 40
Nv = 0.001 = 0.1
gel
Swelling ratio
0 1.5
vC = 0.01
0
38
vCs + 1
36 0.005 34 32 30 0.002 vC + 1 10
-6
Concentration of fixed ions
External solution
s *
10
-5
10 vc
0
-4
10
-3
10
-2
Concentration of ions in external solution
21
Debye length
+ LD kT 2e 2 c0
+
+
0 + x
microscopic processes
-
-
M
X
M X
gel
external solution
•Swelling increases entropy by mixing solvent and polymers. •Swelling decreases entropy by straightening the polymers. •Redistributing mobile ions increases entropy by mixing. •Neutrality reduces electrostatic energy.
-
-
+ -
-
Fixed charges
+
+ Counterions
+
- Co-ions
+
Gel
-
External solution
3
Many tissues are polyelectrolyte gels
Structure and function: •Cartilage is polyelectrolyte. •Does this fact have anything to do with low friction of a joint?
a
24
Osmosis is balanced by elasticity
1
NkT 1 1 2 3 1
+ + + +
0
F
22
gel
external solution
In gel, near interface
0 -0.5
eF/kT
10-3 10-4
vCs
42 41 40 39
vc 0 = 10-5
-
s22
+ -
v c0 1
-1 -1.5 -2 -5 vc 0 = 10 -4
-3
4
Plant cell walls are polyelectrolytes
Pectin
5
Gels regulate flow in plants
Missy Holbrook
Zwieniecki, Melcher, Holbrook, Hydrogel control of xylem hydraulic resistance in plants Science 291, 1095 (2001)
8
Ion exchanger
XNa Ca XCa 2 Na 2
9
pH-sensitive gel
RCOOH RCOO H
fixed
mobile
R COO H K
R COOH
10
pH-sensitive hydrogel
pH l og10 H
70 65 Nv = 0.001 = 0.1 vC = 0.01
0
Swelling ratio
60
vCs + 1
55 0.005 50 45 40 vC + 1 35 10
-6
Concentration of fixed ions
0.002
s *
nonionic gel
10
-5
10 vc
0
-4
10
6
Osmosis in a polyelectrolyte gel
water fixed charge crosslink
solution
solvent network + + +
+
+ + + + + -
-
counterion membrane •Network tatters fixed charges. •To maintain electroneutrality, fixed charges are balanced by counterions. •Counterions cause osmosis Osmosis balanced by elasticity
Soft Active Materials
III. Polyelectrolytes
Zhigang Suo Harvard University
1
Polyelectrolyte: polymer with electrolyte group
polymer chain
covalent bond
ionic bond In a solvent, the electrolyte dissociates. solvent
-5
10-4 10-3 -3 -2 x/LD
-1 0
+ -
-3 x/LD
-2
-1
0
-5
-4
-5
+
0
+
infinity c0 c0 x
0
x 10
8
-3
x 10
vc 0 = 10
vQ/e
10-5
vs22/kT
6 4 2
-0.5 Nv = 0.001 = 0.1 vC0 = 0.002 -4 -3 x/LD -2
3 ways of doing work to a gel
b) current state
dry polymer
X = (X1, X2, X 3)
x(X , t)
pump δM gel
a
ma
ma
B dx dV T dx dA
i i i i
dQ q δ
FdqdV FddA m dC
18
Free-energy function
Free-energy function
~ ~ W F, C a , D Ws F Wm C 1 , C 2 , Wp F, D
Free energy of stretching
1 NkTF F 3 2 log det F Ws F 2 iK iK
7
Osmosis balanced by gravity
Super absorbent diaper
Sodium polyacrylate: polyelectrolyte
Masuda, Trends in the development of superabsorbent polymers for diapers, pp. 88-89, Superabsorbent polymers: science and technology (1994).
electrons, dq
dF Fdq mdM
dq ezdM 0
battery, F
dF ezF m dM
F m ezF M
electrode Material A
14
Lithium-ion battery
electron Positive electrode
Deformation gradient Gauss’s law Concentrations
C a X,t
FiK X , t
x i X , t X K
~ DK X,t QX,t X K
~ W W F, D, C 1 , C 2 ,
Q q ez aC a ez fixC fix
10-4
vc 0 = 10-5
-4 -3
gel -
liquid + + +
10
-1 -5
+
0
-1
0
0 -5
10 -4 -3 -2 x/LD -1
s22
23
pH-sensitive hydrogel
RCOOH RCOO H
R COO H K
fixed
mobile
R COOH
a a a
battery Φ P weight δx
C a X,t
dV
# of ions of species a volume in reference state
16
Hong, Zhao, Suo. J. Mech. Phys. Solids 58 (2010) 558-577.
A field theory of thermodynamic equilibrium
C l
co-ion fixed charge