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异丙基丙烯酰胺温敏原理）
　　智能材料可以通过自主改变其结构、特性和功能来迅速响应周围环境的变化，近年来受到了研究者越来越多的关注。聚（N-异丙基丙烯酰胺）（PNIPAM）是一种具有低临界溶解温度（LCST）的温敏性聚合物。基于它制备的PNIPAM基水凝胶的体积、透光度及亲水性等具有温度可调性，是一种广泛使用的刺激响应性智能材料，在智能驱动、光学、生物医药等领域具有重要的应用价值（图1）。近期，天津大学材料学院封伟教授团队全面综述了PNIPAM基智能水凝胶在智能驱动器、光子晶体、智能窗户、药物输送及组织工程等领域的相关研究，以《Poly(N-isopropylacrylamide)-based Smart Hydrogels: Design, Properties and Applications》为题发表在Progress in Materials Science杂志上（DOI:
　　10.1016/j.pmatsci.2020.100702）。内容主要包括以下几部分：
　　图1.利用PNIPAM基智能水凝胶的温敏性，PNIPAM基智能水凝胶在智能驱动器、光学及生物医药等领域的应用。
　　1.PNIPAM基水凝胶智能驱动器
　　当环境的温度在LCST特征温度附近变化时，PNIPAM基水凝胶可以吸水溶胀和脱水收缩，从而发生明显的体积变化。当体系具有不均匀的溶胀与收缩时，PNIPAM基智能水凝胶可以产生宏观的弯曲、折叠、扭曲等形变。目前，利用PNIPAM基水凝胶制备的智能驱动器可以分为以下几大类：双层结构，梯度结构，图案化结构及局部刺激等（图2）。
　　图2.PNIPAM基智能水凝胶驱动器的种类：双层结构、梯度结构、图案化结构及局部刺激
　　1.1.双层结构
　　双层PNIPAM基水凝胶驱动器的一层为PNIPAM基水凝胶，另一层可以为水凝胶材料，也可为非凝胶材料。在温度刺激下，两层之间的膨胀/收缩性不同，导致一层的膨胀/收缩会受到另一层的约束。因此，其中一层材料会受到拉伸力，而另一层会受到压缩力，双层材料会通过弯曲等运动来释放内应力。目前，PAAm,PCL,TPU,PDMS等材料均可以与PNIPAM基水凝胶构建双层结构来实现弯曲形变。除此之外，通过加入其它功能性材料（如荧光材料），在实现弯曲形变的同时还可以获得颜色变化和形状记忆等功能。
　　1.2.梯度结构
　　在单层的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、填充物或孔隙，也可以实现不均匀的溶胀与收缩，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及物质在电场、磁场、沉淀、离心和自然渗透过程中的运动，可以在单层PNIPAM基水凝胶中构建这类梯度结构。
　　图3.利用光在材料中有限的穿透能力及物质在电场、磁场等过程中的运动构建单层PNIPAM基水凝胶梯度结构。
　　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构成；当环境湿度变化时，基质和纤维之间的膨胀差异性将导致植物器官发生形状变化。受到这一结构的启发，研究者在单层PNIPAM基水凝胶面内构建了具有不同化学结构的区域。当温度变化时，这些具有不同结构的区域在面内会产生非均匀的溶胀与收缩，从而引发形变。
　　1.4.局部刺激
　　对于具有均匀结构的PNIPAM基水凝胶，施加不均匀的外部刺激也可以实现不均匀的溶胀与收缩。由于这种不均匀的溶胀与收缩主要依赖于外部刺激的施加的方式，理论上，通过改变外部刺激模式可以使同一个样品发生无数次不同的形变。
　　2.PNIPAM基水凝胶的光学应用
　　光学材料可以利用吸收、散射、反射、干涉等物理现象来操纵光，从而显示出独特的光学特性。在温度刺激下，PNIPAM基水凝胶会发生体积与透光性的变化，使其在光子晶体、智能窗户等领域具有重要的应用潜力。
　　2.1.刺激响应性光子晶体
　　如图4 所示，PNIPAM基水凝胶可以构建胶体晶体、反蛋白石结构、布拉格堆积结构及标准具等光子晶体结构。在温度刺激下，PNIPAM基水凝胶会发生溶胀及收缩，会改变光子晶体的周期排列，导致光子晶体的光子带隙与颜色的变化。
　　图4 利用PNIPAM基水凝胶制备的光子晶体结构：胶体晶体、反蛋白石结构、布拉格堆积及标准具
　　2.2.智能窗户
　　当温度在LCST特征温度附近变化时，PNIPAM基水凝胶的透光性会发生变化。利用这一特性制备的PNIPAM基水凝胶智能窗户，能够调控光的透过率，实现对太阳能的调制。如图5所示，将光热材料结合到PNIPAM水凝胶中可以制备适应气候变化的智能窗户，该窗户可以主动阻挡强烈的阳光。
　　图5.复合光热转化剂构建的具有气候适应性的PNIPAM基水凝胶智能窗户
　　3.PNIPAM基水凝胶在生物医药领域的应用
　　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，它在生物医学领域的应用具有强大的吸引力。另外，PNIPAM基智能水凝胶还具有较高的含水量、可变形性以及与其他聚合物共聚、促进细胞生长的能力，也促进了其在药物输送和组织工程领域的应用。
　　3.1.药物输送
　　在高于LCST的温度下，PNIPAM聚合物链中异丙基之间的分子内和分子间疏水作用可以实现PNIPAM的热诱导物理交联，从而制备可注射性水凝胶药物载体。如图6所示，通过与可降解的组分进行共聚，能够实现PNIPAM基水凝胶的降解，促进药物的释放。
　　图6.兼顾可注射性与生物降解性的PNIPAM基智能水凝胶药物载体
　　3.2.组织工程
　　在组织工程领域，PNIPAM基水凝胶既可以作为细胞支架使用，也可以用于细胞薄片技术。在作为细胞支架使用时，一般需要对其进行修饰，获得生物相容性及降解性；在制备细胞薄片时,利用温度变化时PNIPAM基水凝胶的亲疏水性变化可以实现细胞薄片的吸附与脱出。
　　4.结论与展望
　　PNIPAM基智能水凝胶在众多领域已经展现出了极大的应用前景，但是为了实现其商业应用，在响应速度、机械强度、精确定位等方面还需要进一步的提升。此外，结合仿生技术，有望制备具有新型结构的PNIPAM基智能水凝胶，全面实现智能仿生；除此之外，通过多功能的复合，也可以进一步推动其在众多领域的应用。