李達(dá) 楊超（四川大學(xué)江安校區(qū)2011級(jí)化學(xué)工程學(xué)院）

引言

敏感水凝膠(Sensitive Hydrogel)是由液體和聚合物分子網(wǎng)兩部分組成，液體填充在聚合物分子網(wǎng)的空隙中，從而形成了一個(gè)凝膠體系，因此是一種新型材料。作為一種“軟、濕”材料的敏感水凝膠，“軟”是相對(duì)于較硬的材料而來(lái)的，其凝膠的強(qiáng)度較低，在不損傷材料的條件下可以用來(lái)處理容易損傷的材料；而“濕”是指凝膠體系中含有的溶液，可以與其周圍的溶劑中的一些化學(xué)物質(zhì)進(jìn)行交換。

因?yàn)橥獠凯h(huán)境變化對(duì)智能水凝膠的影響是一個(gè)可逆過(guò)程，并且認(rèn)為調(diào)控方便，所以可以將其在化學(xué)開關(guān)，形狀記憶材料，藥物控制釋放材料等[7]的運(yùn)用，從而使得智能性水凝膠在微機(jī)械、生物醫(yī)藥和仿生工程等領(lǐng)域中的應(yīng)用具有相當(dāng)廣泛的前景。

在外界的各種刺激因素中，因?yàn)殡妶?chǎng)的調(diào)控，所以水凝膠電刺激響應(yīng)比其它種類的智能水凝膠更有優(yōu)勢(shì)，從上世紀(jì)90年代開水，電場(chǎng)敏感水凝膠便的成為研究的焦點(diǎn)之一[10]。

一、電場(chǎng)敏感水凝膠的制備

由于在水凝膠的電場(chǎng)敏感性聚合物中，其絕大部分含有與化學(xué)鍵相結(jié)合的且離子化的基團(tuán)，所以這種凝膠一般是在物理或者是化學(xué)的作用下，由帶有離子基團(tuán)的天然高分子或者合成高分子所制備而得到的。

1.以合成高分子制備原料

（1）共聚法

據(jù)相關(guān)的資料表明，很大一部分合成高分子的電場(chǎng)敏感性水凝膠的原料為共聚物，而一般采用離子或自由基共聚法來(lái)制備這類共聚物。其中，Kim等[12-13]研究發(fā)現(xiàn)，將丙烯酸與乙烯磺酸鈉單體、交聯(lián)劑為N,N-甲基二丙烯酰胺、引發(fā)劑為過(guò)氧化二硫酸銨同時(shí)溶解于水中，用玻璃棒攪拌一段時(shí)間后，引入玻璃培養(yǎng)皿中，然后烘干，生成一種名為丙烯酸-乙烯磺酸鈉的無(wú)規(guī)共聚交聯(lián)膜。把該交聯(lián)膜浸漬在0.9%的N a C l溶液中，并放入-對(duì)鉑電極，在施以電壓后，水凝膠體積會(huì)發(fā)生明顯的收縮改變，所以Kim等一致認(rèn)同該材料有著巨大應(yīng)用潛力。

Krause、Yao[16]對(duì)苯乙烯-乙烯-丁烯嵌段共聚物進(jìn)行了磺酸化的處理，生成了一種帶有磺酸基的交聯(lián)共聚物水凝膠，當(dāng)在鹽酸的溶液中的水凝膠達(dá)到溶脹平衡后然后放置于電場(chǎng)中，水凝膠會(huì)向陰極方向偏轉(zhuǎn)，當(dāng)在去離子水中的水凝膠達(dá)到溶脹平衡點(diǎn)后，再置于鹽酸和電場(chǎng)中后，水凝膠開始會(huì)向陽(yáng)極彎曲。

（2）共混法

除了用共聚法可以制備電場(chǎng)敏感性水凝膠以外，目前研究者們發(fā)現(xiàn)還可用易操作、更簡(jiǎn)便的共混法。共混法是先讓兩種或多種的聚合物溶液混合在一起，進(jìn)而將其制作成膜或者進(jìn)行紡絲來(lái)制得電場(chǎng)敏感性水凝膠。如Hs i e h等[18]采用聚乙烯醇和聚丙烯酸混合液紡絲制生成了一種超細(xì)水凝膠纖維。

（3）聚合物互穿網(wǎng)絡(luò)

為了達(dá)到水凝膠的力學(xué)性能增加的目的，研究人員者以兩種或者兩種以上的聚合物作為原材料生成互穿網(wǎng)絡(luò)的水凝膠。如Homma等[19]通過(guò)許多年的研究和制備制作出了聚乙烯醇和聚2-丙烯酰胺-2-甲基丙烯磺酸（PAMPS）所形成的這一類互穿網(wǎng)絡(luò)的水凝膠膜。

2.天然高分子為材料

采用合成高分子為原料來(lái)制備的電場(chǎng)敏感水凝膠擁有比較多的優(yōu)點(diǎn)和優(yōu)勢(shì)，首先它的力學(xué)性能相當(dāng)優(yōu)秀、在電場(chǎng)的作用下有相當(dāng)迅速的響應(yīng)速度，不過(guò)大多數(shù)合成高分子的生物降解性和相容性較差這一明顯的缺點(diǎn)，限制了它在生物醫(yī)藥方面的大面積推廣應(yīng)用。

Kim等[20]的課題組在這方面的研究有較大的進(jìn)展，他們將聚乙烯醇和透明質(zhì)酸的水溶液通過(guò)一定的比例混合在一起，再加入交聯(lián)劑戊二醛作，用玻璃棒攪拌混合均勻，隨后將此溶液轉(zhuǎn)移到玻璃培養(yǎng)皿中后干燥成膜，并成功制做出了由天然的聚陰離子聚乙烯醇和透明質(zhì)酸所組成的互穿網(wǎng)絡(luò)的水凝膠膜。

除了以膜的形式來(lái)制備天然高分子水凝膠以外，還可以采用纖維的形式以研究其在電場(chǎng)中的響應(yīng)性。其中，s u n等[21]采用濕法紡絲法，制做出了殼聚糖/聚乙二醇和殼聚糖/聚丙二醇的水凝膠纖維，在低電壓的電場(chǎng)中，能夠達(dá)到快速收縮和彎曲的效果。

三、應(yīng)用與展望

1.應(yīng)用

電場(chǎng)敏感水凝膠可以把電能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，所以可以將這種智能性水凝膠作為人工肌肉的材料。如B a y等[22]經(jīng)過(guò)多年研究，成功制備了將聚吡咯接上十二烷基苯磺酸，并發(fā)現(xiàn)尺寸為3 mm×5mm的這種水凝膠在0.2mo 1/L氯化鈉溶液中，在一定的電壓和壓力下，其長(zhǎng)度可以在12%以內(nèi)的反復(fù)可逆變化。

電廠水凝膠的敏感性中應(yīng)用廣泛，除此以外，它還可以運(yùn)用到傳感器，轉(zhuǎn)化裝置、生物電子學(xué)等多個(gè)方面。

2.展望

總而言之，作為一種智能型水凝膠的“電場(chǎng)敏感水凝膠”擁有廣闊的應(yīng)用前景。但是，由于目前合成高分子絕大部分還是作為制備電場(chǎng)敏感水凝膠的原材料，而眾所周知，許多合成高分子的生物相容性和降解性都不是很好，因此限制了水凝膠在生物醫(yī)藥等領(lǐng)域的推廣應(yīng)用。相對(duì)于現(xiàn)在而言，電場(chǎng)敏感性水凝膠的抗疲勞壽命、響應(yīng)速度以及力學(xué)性能也有待更進(jìn)一步的提高。

[1]Tanaka T,NishioI,Sun S T,et al.Science[J],1982,218:467-469.

[2]姚康德,彭 濤,高 偉等.高分子通報(bào)[J],1995,（2）:103-111.

[3]Yoshihito O,Simon B R.中國(guó)科學(xué)基金[J],1994,（1）:41-44.