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惊叹科技的力量:新材料之——智能高分子凝胶

2019-08-12 14:09:54来源:塑料机械网原创 阅读量:35436

  【塑料机械网 科技创新】据统计,世界材料产业的产值以每年约30%的速度增长,研究最活跃、发展最快、最为投资者所看好的新材料领域当属化工新材料、微电子、光电子和新能源。现今,材料创新已然成为推动人类文明进步的重要动力之一,促进了技术发展和产业升级。
 
  如:智能高分子凝胶、石墨烯、碳纳米管、非晶合金、泡沫金属、离子液体……等多种新材料为材料工业的发展带来无限发展机遇。下文将以智能高分子凝胶为重点展开话题,总结这一新材料的发展情况与技术应用。
 
  高分子水凝胶是一种由亲水性聚合物、共聚物或者聚电解质构成的高分子网络。由于其网络结构的亲水性,水凝胶通常含有大量水分,并且有些水凝胶可以对温度、p H、电场和离子强度等外界刺激发生响应。同时水凝胶材料在结构上和自然界中构成生物体的材料极为相近,甚至绝大部分生物体的构成材料也可以被看作是水凝胶。这种生物体的相似性使得水凝胶成为一种很好的生物相容性材料。基于这种刺激响应性和生物体相似性及生物相容性,水凝胶在生物医用材料,仿生材料,智能器件等领域有非常重要的研究价值和应用价值。
 
  智能高分子凝胶的体积、结构和粘弹性等物理化学性质在温度、pH、电场、磁场、光、生物分子、压力和溶剂组成等外界环境变化的刺激下可以发生可逆的不连续(或连续)变化。这使得它在药物控释、人造肌肉、物质分离、仿生制动器、传感器、组织工程以及酶和细胞的固定化等方面都有重要的潜在应用。过去三十多年来,智能高分子凝胶的研究得到了人们越来越多的关注。
 
  智能水凝胶机器人:可在水中行走
 
  据悉,智能凝胶相较于坚硬的固体材料成本低,也更容易进行设计和控制,其主要用于制造软体机器人,因此备受人们关注。
 
  据韩联社2018年5月21日报道,美国罗格斯大学航空航天工程系教授李镐元(音)及韩国高丽大学机械工学部教授崔元准(音)研究团队21日共同宣布称,他们通过3D打印技术制造出智能水凝胶机器人,并成功使其在水中行走并抓取物品。
 
  据研究团队介绍,该智能水凝胶机器人由3D打印技术制作而成,水分含量较高,与柔软的人体有相似的组织成分,在生物医学工程领域有巨大应用潜力。相关研究成果已经在线发表。
 
  医药领域:智能高分子凝胶发挥其更大能量
 
  要说智能高分子凝胶的相关技术应用,现今已有多项实例,尤其是在医学领域发明研究中,如:在药物释放中,病人患病时常伴随着全身或局部的发热及各种化学物质浓度的变化。浸含药物的智能高分子凝胶在身体正常的情况下呈收缩状态,形成致密的表面层,使药物保持在粒子内。当感受到病理信号(温度、pH值、离子、生理活性物质)后,凝胶体积膨胀,使包含的药物通过扩散释放出药物;当身体恢复正常后,凝胶又恢复到收缩状态,从而抑制了药物的进一步扩散。
 
  另,其在智能伤口敷料方面也得以广泛应用。麻省理工学院(MIT)机械工程系Xuanhe Zhao教授设计和开发了新型水凝胶敷料,“智能伤口敷料”必要时可以释放药物,能够对皮肤温度的变化做出反应。如果药物将尽,它甚至还能亮灯报警。
 
  在人工肌肉上的应用。日本理研中心的研究人员开发了一种新型水凝胶,能够像人造肌肉一样随着温度的变化不断的收缩或伸展。他们还通过将这种聚合物材料设计成L形,使之能够随着温度的反复升高而慢慢前行。这种水凝胶聚合物的网格结构能够保存大量水分,这也使它们能随着环境条件(例如电压、热和酸度)的变化膨胀和收缩。这种特性其实也类似植物的细胞,它们也能据外界环境的变化来改变其中的水量,以此来改变形状。
 
  结语:人类利用智能高分子凝胶受外界刺激而变形的特性,设想出各种各样的化学能—机械能转变装置,在药物控释系统、记忆元件开关、人造肌肉、化工分离、环境工程、可视化光学传感等领域有潜在应用价值。相信在不久的将来,随着高科技的发展,智能高分子凝胶会越来越多的应用于人类日常生活所需中的多个领域。
 
  参考资料来源:万方数据、百度百科、简书、知网

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