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1、 1 第4章智能高分子材料现在学习的是第1页，共34页 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能能能采采采采取取取取响响响响应对策的高分子材料。应对策的高分子材料。应对策的高分子材料。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：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、共混、聚集态结构、共混、复合、界面复合、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，单一或多种等方面，单一或多种等方面，单一或多种等方面，单一或多种机制综合利
2、用，实现某种智能化。机制综合利用，实现某种智能化。机制综合利用，实现某种智能化。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、刺激响应型聚合物、环境敏感型聚合物。合物、环境敏感型聚合物。概念概念现在学习的是第2页，共34页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
3、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解，但能吸收大量水分子而使凝胶溶胀。溶解，但能吸收大量水分子而使凝胶溶胀。溶解，但能吸收大量水分子而使凝胶溶胀。溶解，但能吸收大量水分子而使凝胶溶胀。现在学习的是第3页，共34页人工材料：人工材料：透明透明透明透明混浊混浊离子化的部分水解聚丙烯酰胺凝胶置于水丙酮溶离子化的部分水解聚丙烯酰胺凝胶置于水丙酮溶液中液中新的研究领域：灵巧凝胶、智能凝胶新的研究领域：灵巧凝胶、智
4、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。现在学习的是第4页，共34页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一一响响应应性性压压力力、温温度度、光光强强、电电(磁磁磁磁)场场场场、组组组组成成成成、pH
5、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的的的化化化化学物质刺激；学物质刺激；学物质刺激；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、物物理理性质、化学性质变化的凝胶。性质、化学性质变化的凝胶。双双双双(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子子子刺刺刺刺激等。激等。激等。激等。现在学习的是第5页，共34页控制信号：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部信号：热、电场、磁场、超声波等物理信号。外部信号：热、电场、磁场、超声波等物理信号。外部信号：
6、热、电场、磁场、超声波等物理信号。外部信号：热、电场、磁场、超声波等物理信号。当当药药物物所所在在环环境境发发生生变变化化时时，体体系系能能够够感感知知并并做做出出相相应应的的反反应应，以以一一定定的的形形式式（定定向向、定定时时、定定量）调控释放药物，从而达到最佳治疗效果的系统。量）调控释放药物，从而达到最佳治疗效果的系统。(2)智能药物释放体系智能药物释放体系现在学习的是第6页，共34页(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。
7、、体积记忆、色泽记忆。以以高高分分子子膜膜的的形形式式对对环环境境进进行行感感知知、响响应应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。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。现在学习的是第7页，共34页（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
8、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材材材料料料料对器件的磨损等问题。对器件的磨损等问题。对器件的磨损等问题。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、智智智智能能能能安全防护纺织品等。安全防护纺织品
9、等。安全防护纺织品等。安全防护纺织品等。现在学习的是第8页，共34页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变化凝胶的体积随外界环境因子变化而产生不连续变化凝胶的体积随外界环境因子变化而产生不连续变化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的现象的现象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
10、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。现在学习的是第9页，共34页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)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
11、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)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
12、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,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。现在学习的是第10页，共34页(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，整个分，整个分，整个分子呈现亲水性子呈现亲
13、水性子呈现亲水性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，疏水性基团周：链段运动能力提高，疏水性基团周：链段运动能力提高，疏水性基团周：链段运动能力提高，疏水性基团周围的水团簇崩溃，围的水团簇崩溃，围的水团簇崩溃，围的水团簇崩溃，凝胶网络为疏水基团保护凝胶网络为疏水基团保护，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。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 现在学习的是第11页
14、，共34页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变能响应温度变化而发生溶胀或收缩即体积相变能响应温度变化而发生溶胀或收缩即体积相变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。转变的凝胶。转变的凝胶。转变的凝胶。机制：机制：温度的变化影响了其中的疏水基团的疏水作用以及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大分子链间的氢键作用，从而使凝胶结构改变，发，从而使凝胶结构改变，发，从而使凝胶结构改变，发，从而使凝胶结构改变，发生体积相变。生体积相变。生体积相
15、变。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(lowercriticalsolutiontemperatureture(lowercriticalsolutiontemperatureture，LCST)。现在学习的是第12页，共34页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
16、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LCST时溶胀，高于时溶胀，高于时溶胀，高于时溶胀，高于LCSTLCST时收缩。时收缩。时收缩。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LCST时溶胀。时溶胀。时溶胀。时溶胀。现在学习的是第13页，共34页(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，发发生生不不连连续续
17、的的相转变。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生生生溶溶溶溶胀胀胀胀做做做做出出出出光光光光响应。响应。响应。响应。现在学习的是第14页，共34页(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
18、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变变变化而发生溶胀和收缩。化而发生溶胀和收缩。化而发生溶胀和收缩。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，使使周周围围凝凝胶胶温温度度升升高高诱诱发发溶溶胀胀或或收收缩缩。去去去去除磁场后，凝胶冷却，恢复至原来的尺寸。除磁场后，凝胶冷却，恢复至原来的尺寸。除磁场后，凝胶冷却，恢复至原来的尺寸。除磁场后，凝胶冷却，恢复至原来的尺寸。制备：将微细镍针状结晶
19、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体体体溶液混合后再聚合成凝胶。溶液混合后再聚合成凝胶。溶液混合后再聚合成凝胶。溶液混合后再聚合成凝胶。现在学习的是第15页，共34页(4)电场敏感性凝胶电场敏感性凝胶在在电电场场刺刺激激下下，能能产产生生溶溶胀胀和和收收缩缩并并将将电电能能转变为机械能的凝胶转变为机械能的凝胶.构构构构成成成成：聚聚电电解
20、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合合合离离离离子子子子化基团。化基团。化基团。化基团。机理：溶液中机理：溶液中机理：溶液中机理：溶液中自由离子自由离子在直流电场作用下的在直流电场作用下的在直流电场作用下的在直流电场作用下的定向移动定向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生生生变变变变化化化化，产产产产生变形生变形生变形生变形凝胶内外离子浓度不均凝胶内外离子浓度不
21、均，产生，产生渗透压变化渗透压变化引起引起引起引起凝胶变形。凝胶变形。凝胶变形。凝胶变形。现在学习的是第16页，共34页接接触触电电场场：部部分分水水解解的的聚聚丙丙烯烯酰酰胺胺凝凝胶胶浸浸入入50%50%的的的的丙酮水溶液中丙酮水溶液中丙酮水溶液中丙酮水溶液中 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)共混共混共混共混物弯曲物弯曲物弯曲物弯曲现在学习的是第17页，共34页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
22、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酸酸酸、碱碱碱碱基团基团基团基团(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值值变变化化，酸酸、碱碱基基团团的的解解离离或或质质子子化化程程度度相相应应改改变变，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结结结构构构构单单单单元元元元的离子键或氢键状态改变的
23、离子键或氢键状态改变的离子键或氢键状态改变的离子键或氢键状态改变；现在学习的是第18页，共34页(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(CSNHNH2 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)的的半半互互穿穿聚合物聚合物聚丙烯酸（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pH值：收缩值：收缩值：收缩值：收缩现在学习的是第19页，共34页(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
24、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物质的依据病灶引起的化学物质的依据病灶引起的化学物质的依据病灶引起的化学物质的变化进行自反馈，通过凝胶的溶胀与收缩控制药物变化进行自反馈，通过凝胶的溶胀与收缩控制药物变化进行自反馈，通过凝胶的溶胀与收缩控制药物变化进行自反馈，通过凝胶的溶胀与收缩控制药物释放的通、断。释放的通、断。释放的通、断。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现在学习的是第20页，共34页现在学习的是第21页，共34页4.3
25、.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。异丙基丙烯酰胺异丙基丙烯酰胺温敏性温敏性温敏性温敏性丙烯酸丙烯酸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现在学习的是第22页，共34页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凝机理一：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，引起凝胶，利用紫外线进行离子化，引起凝胶溶胀。胶溶胀。机理二：将热
26、响应性分子与吸光产热分子合成凝胶，机理二：将热响应性分子与吸光产热分子合成凝胶，机理二：将热响应性分子与吸光产热分子合成凝胶，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，凝胶收缩。光吸收时局部温度上升，凝胶收缩。光吸收时局部温度上升，凝胶收缩。光吸收时局部温度上升，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PNIPAPNIPA凝胶。凝胶。凝胶。凝胶。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。现在学习的是第23页，共34页(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。
27、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单体如：将侧链含偶氮苯基的丙烯酰氨基偶氮苯单体如：将侧链含偶氮苯基的丙烯酰氨基偶氮苯单体如：将侧链含偶氮苯基的丙烯酰氨基偶氮苯单体(AAAB)(AAAB)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-P(AA-co-AAAB)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。现在学习的是第24页，共34页(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Fe3 3OO
28、4 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。现在学习的是第25页，共34页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孔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，从而控制能通过眼尺
29、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，分离大小或形状不同的凝胶的物质的大小、形状，分离大小或形状不同的溶质。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，然后通过外界环境将需分离出的组分结合到凝胶上，然后通过外界环境将需分离出的组分结合到凝胶上，然后通过外界环境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，达到分离的目的。的转变使被结合的组分释放出来，达到分离的目的。的转变使被结合的组分释放出来，达到分离的目的。的转变使被结合的组分释放出来，达到分离的目的。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
30、离和络合分离：现在学习的是第26页，共34页优点：优点：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；耗能少，不需高温高压；耗能少，不需高温高压；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；可可根根据据要要分分离离和和浓浓缩缩的的生生物物物物质质的的分分子子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。现在学习的是第27页，共34页污泥脱水污泥脱水聚乙烯基甲基醚聚乙烯基甲基醚(PVME)凝胶海绵吸收污泥中的凝胶海绵吸收污泥中的凝胶海绵吸收污泥中的凝胶海绵吸收污泥中的水分，污泥脱水后得到浓缩，分离再生吸水
31、水分，污泥脱水后得到浓缩，分离再生吸水水分，污泥脱水后得到浓缩，分离再生吸水水分，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。溶胀的凝胶可循环利用。溶胀的凝胶可循环利用。溶胀的凝胶可循环利用。应应 用用现在学习的是第28页，共34页选择性识别、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
32、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团螯合基团(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。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捕获金属离子捕获金属离子的特性位点，凝胶再的特性位点，凝胶再的特性位点，凝胶再的特性位点，凝胶再次次次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，从而达到分离的目的。，从而达到分离的目的。，从而达到分离的目的。，从而达到分离的目的。现在学习的是第29页，共34页(2)运动功能材料运动功能材料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
33、：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，单丝单丝收缩应力收缩应力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1/101/31/3，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)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；现在学习的是第
34、30页，共34页(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凝胶中凝胶中人人为为控控制制：将将蔗蔗糖糖转转化化酶酶固固定定在在含含FeFe2 2OO3 3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上上上升升升升，体体体体积积积积收缩，蔗糖降解速度下降。收缩，蔗糖降解速度下降。收缩，蔗糖降解速度下降。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
35、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性性性下下下下降降降降，酶的活性急剧降低。酶的活性急剧降低。酶的活性急剧降低。酶的活性急剧
36、降低。现在学习的是第31页，共34页(4)细胞培养基质细胞培养基质 将将聚聚异异丙丙基基丙丙烯烯酰酰胺胺接接枝枝到到聚聚苯苯乙乙烯烯培培养养板板表表面面形形成成一一层层薄薄膜膜，将将细细胞胞在在凝凝胶胶表表面面层层于于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水，细细胞胞自自动动从表面脱附从表面脱附。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%。降温降温现在学习的是
37、第32页，共34页(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，然后将一定量的细基本思路：首先在体外分离、培养细胞，然后将一定量的细基本思路：首先在体外分离、培养细胞，然后将一定量的细基本思路：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生物材料骨架内，胞种植到具有一定形状的三维生物材料骨架内，胞种植到具有一定形状的三维生物材料骨架内，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，最终形成具有一定结构的组并加以持续培养，最终形成具有一定结构的组并加以持续培养，最终形成具有一定结构的组并加以持续培养，最终形成具有一定结构的组织和
38、器官。织和器官。织和器官。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得到型胶原冷冻干燥后经戊二醛交联得到型胶原冷冻干燥后经戊二醛交联得到型胶原冷冻干燥后经戊二醛交联得到的泡沫的泡沫的泡沫的泡沫(平均孔径平均孔径平均孔径平均孔径86m86m，孔隙率，孔隙率，孔隙率，孔隙率8787)可制备可制备可制备可制备软骨细软骨细胞胞/胶原复合材料胶原复合材料，且使其负载碱性成纤细胞生长因，且使其负载碱性成纤细胞生长因，且使其负载碱性成纤细胞生长因，且使其负载碱性成纤
39、细胞生长因子后子后子后子后植入鼠体植入鼠体，4周后形成新成熟软骨周后形成新成熟软骨。现在学习的是第33页，共34页(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，当微区通过红外辐照使凝胶局部变热，出现塌陷微区，当微区通过红外辐照使凝胶局部变热，出现塌陷微区，当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，导致凝胶对大小与激光波长相当时，入射激光被散射，导致凝胶对大小与激光波长相当时，入射激光被散射，导致凝胶对大小与激光波长相当时，入射激光被散射，导致凝胶对
40、可见激光的透过率降低可见激光的透过率降低可见激光的透过率降低可见激光的透过率降低制作自动调光玻璃。制作自动调光玻璃。制作自动调光玻璃。制作自动调光玻璃。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体，在加工成上下底面均为平面的圆柱体，在加工成上下底面均为平面的圆柱体，在加工成上下底面均为平面的圆柱体，在外加电场下外加电场下，凝胶体的上，凝胶体的上表面凸出或凹陷表面凸出或凹陷(程度取决于程度取决于程度取决于程度取决于外加电场的强度外加电场的强度外加电场的强度外加电场的强度)，从而可，从而可，从而可，从而可调节材料的焦距调节材料的焦距等基本光等基本光等基本光等基本光学参数。学参数。学参数。学参数。现在学习的是第34页，共34页