高分子凝胶.ppt

高分子凝胶 作者 周冰心040085刘国永040005 高分子凝胶的定义 凝胶态是介于液体和固体之间的物质形态 高分子凝胶是指由分子之间组成的三维交联网络 其网络由大分子主链及侧链上有亲水 极性 基团和疏水性基团 或 和 有解离基团组成 溶剂被固定在分子网络中 溶剂虽然不能将三维网状结构的高分子溶解 但高分子化合物中亲溶剂的基团部分却可以被溶剂作用而使高分子溶胀 这也是形成高分子凝胶的原因之一 高分子凝胶的定义 高分子凝胶的三维网络结构示意图高分子凝胶的交联网络点 可以是化学的 由共价键组成 也可以是物理交联 如结晶等 高分子凝胶的分类 根据高分子网络里所含的溶剂分类 高分子凝胶 水凝胶 有机凝胶 高分子凝胶的分类 水凝胶是最常见也是最为重要的一种 绝大多数的生物 植物内存在的天然凝胶以及许多合成高分子凝胶均属于水凝胶 而且生物凝胶具有出色的智能性和高强度 智能型水凝胶 intelligentHydrogelsorsmartHydrogels 是一类对外界刺激能产生敏感响应的水凝胶 水凝胶可以吸收超出自重达几百倍的水 故又大量地使用在卫生材料中 高分子凝胶的作用力 水凝胶是具有亲水性但不溶于水的聚合物 它在水中可溶胀至一平衡体积仍能保持其形状 诱导水凝胶体系发生相转变的分子间相互作用可以归纳为4类 疏水作用 范德华力 氢键 离子间作用力 这几种力的合力称之为凝胶的渗透压 它决定着凝胶是趋于吸收液体还是排斥液体 高分子凝胶的影响因素 典型的外界刺激有温度 pH值 溶剂 盐浓度 光 电场 化学物质等 当高分子凝胶受到这些外界刺激时 其体积发生不连续变化 利用这种刺激响应特性 可以将高分子凝胶用作传感器 执行元件 开关 在药物控释上具有广泛的用途 由上述用途可以制得pH响应性凝胶 温度响应性凝胶 光响应性凝胶 生化响应性凝胶等等 高分子凝胶的智能化 高分子凝胶的智能化表现在以下几方面 当外部环境的pH 离子强度 温度 电场以及环境中所含有的其他化学物质发生变化时 高分子凝胶即呈现出 刺激 应答 状态 例如在高分子凝胶中出现相转变 表现为网络的网孔增大 网络失去弹性 网络的体积急剧变化 可变化几百倍之多 甚至在三维网络结构中不再存在凝胶相 而且这些变化是可逆的和不连续的 上述这些变化使高分子凝胶的体积既可以发生溶胀 又可以收缩 利用这种性质设计出一种装置 它具有肌肉的功能 这种人造肌肉制成的机械手类似于智能机器人的手 能够拿东西 高分子凝胶的智能化 高分子凝胶的智能化 人造肌肉的指令就是上面指出的外部环境的各种物理性质和化学性质发生的变化 这种具有三维网络结构的高分子凝胶的溶胀行为还可以由于糖类的刺激而发生突变 这样 高分子溶胀行为将受到葡萄糖浓度变化的指令 葡萄糖浓度信息对于糖尿病患者是很重要的 如果以这种含葡萄糖的高分子凝胶作为负载胰岛素的载体 表面用半透膜包覆 在此体系中随着葡萄糖浓度的变化 高分子凝胶将作出响应 执行释放胰岛素的命令 从而有效地维持糖尿病患者的血糖浓度处于正常 高分子凝胶的主要应用 随着高分子材料的问世 人们对高分子科学的不断探索 高分子凝胶在日常生活中的作用显得尤为重要 成为科研和生产中不可缺少的项目之一 高分子凝胶的应用 1化学膜和化学阀大分子在溶液中的构象除了取决于自身的结构本性外 还与大分子与大分子 大分子与溶剂之间的相互作用以及大分子溶液所处的外部环境条件有关 对智能型大分子而言 其构象会因外部某种条件的微小变化而发生突变 而且这种变化可因外部条件变化的消失而消失 正是基于智能型大分子的这种可控构象变化人们设计制作了各种截留分子量可调控分离膜 例如 将末端带二硫键的聚L2谷氨酸接枝到聚碳酸酯膜的孔道结构中 利用这种大分子在pH低时构象收缩 pH高时构象伸展调控膜的孔道大小 实验表明该膜对水的透过性依赖于溶液的pH 溶液离子强度的变化也会影响水的透过性 离子强度增大时 水的透过性对pH的依赖性降低 高分子凝胶的应用 基于智能型水凝胶的可控溶胀收缩 人们制作了一种温控化学阀 将丙烯酰脯氨酸甲酯与双烯丙基碳酸二甘醇酯按6 4摩尔比共聚 得到聚合物膜 然后将此膜在NaOH溶液中用离子束技术蚀刻得到多孔膜 显微观察发现膜孔道在0 时完全关闭 30 时完全开放 将丙烯酸与丙烯酸正硬酯酰醇酯共聚得到了一种具有形状记忆功能的温敏水凝胶 这种材料的形状记忆本质在于长链硬脂酰侧链的有序 无序可逆变化 基于这种材料他们设计制作了另一种温控化学阀 施加电场时 膜孔径增大 撤去电场后 膜重新溶胀 由此可以控制膜的开 关或孔径大小 高分子凝胶的应用 高分子人造树胶质 是丙稀酸聚合物 白色粉末 加水后 生成粘度低的酸性溶液 加碱中和可得澄明且稳定的凝胶 可用作优良的悬浮剂 稳定剂 乳化剂 高级化妆品的透明基质及药用辅料基质 也是最有效的水溶性增稠剂 高分子凝胶的应用 2化学机械器件利用不同水凝胶的复合 可以设计制作各式各样的化学机械器件 在刺激时 这些材料可以弯曲成预先设定的各种形状 当刺激消失后 材料又恢复为原来的形状 例如 在对温度不敏感的PAM凝胶条的四个等距点处修饰聚丙烯酰胺PNIPAM凝胶 在室温下 复合材料呈直线状 但当温度升高时 复合凝胶在PNIPAM修饰处开始弯曲 先形成一个五角形 随后继续弯曲形成正方形图案 降温时 弯曲过程逆转 材料又恢复为直线型 据此 设计制作了可抓取东西的凝胶手和其他凝胶器件 对于肌肉样聚电解质凝胶材料的合成 这种材料在干态时对电场响应且响应是各向同性的 高分子凝胶的应用 3药物控制释放以智能高分子材料为基础 可以使药物释放系统智能化 当需要药物时则释放 否则不释放 这种体系的特点是药物的需要与否有药剂自身判断 集传感 处理 执行功能于一身 它可以感知疾病所引起的化学物质及物理量的变化信号 药剂根据对此信号的响应自反馈而释放药物或终止释放 实际上 智能型大分子和大分子水凝胶的生物医学应用更多的反映在药物固定化和可控释放上 高分子凝胶的应用 常规做法是 将药物包埋在水凝胶或由其制成的微胶囊中 包埋药物的释放速度可经由凝胶体积的调控来实现 随着科学的发展 技术的进步 人们对疾病的治疗效果和手段的要求也