可生物降解智能水凝胶的研究进展*
孙姣霞1
,罗彦凤2,屈
晟2
(1.重庆大学化学化工学院,重庆400044;2.重庆大学生物工程学院,重庆400044
*基金项目:重庆市自然科学基金资助项目(CSTC2006BB5010;国家自然科学基金资助项目(30470474
收到稿件日期:2007-06-08通讯作者:罗彦凤
作者简介:孙姣霞(1984-,女,湖南新化人,在读研究生,主要从事高分子材料研究。
摘
要:可生物降解智能水凝胶因其在生物医学领域
有着广泛的应用前景,因而已成为科研工作者研究的热点。详细介绍了可生物降解智能水凝胶的研究现状及其在药物释放体系中的应用,并预测了智能水凝胶可能的发展方向。
关键词:智能水凝胶;可生物降解;药物释放系统;
综述
中图分类号:O648;R313.08
文献标识码:A
文章编号:1001-9731(2007增刊-1895-04
1引言
水凝胶是指可被水溶胀的半固态交联聚合物网络。智能型水凝胶(intelligent hydrogels or smart hydrogels是一类对外界刺激能产生敏感响应的水凝胶。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。目前研究最多的是pH 敏感型和温度敏感型水凝胶[1~3]。智能水凝胶按其降解性能可分为可降解性智能水凝胶和不可降解性智能水凝胶。聚丙烯酰胺类、聚丙烯酸类、聚乙烯醇类等水凝胶主要是依赖双键的自由基反应形成以C —C 连接为主的交联网络,这种以C —C 连接的交联网络通常都是不可降解的。而可降解水凝胶能在机体生理环境下,通过水解、酶解,从高分子、大分子物质降解成对机体无损害的小分子物质,并且这些小分子降解产物通常是体内自身就存在的,如氨基酸、乳酸等,最后,通过机体的新陈代谢完全吸收和排泄,对机体无毒副作用。这类材料可用于控制药物在体内的释放,实现药物靶向输送,使药物在体内能够保持有效的浓度,减小或消除副作用,此外还可以避免免疫排斥以及二次手术等缺陷[4~6]
,因而在生物医学领域有
广泛的应用。
水凝胶的主要应用之一是用作药物释放材料。由于其在人体内使用,因此其必须具有良好的血液相容性和组织相容性。设计和研制一种集良好生物相容性、生物可降解性和智能型于一身的水凝胶药物释放材料,是一项极具挑战性的课题,对于推动药物控释材料研究的进程具有重要的意义。本文主要综述了可生物降解性智能水凝胶材料的研究现状及其在药物释放体系中的应用,并预测了智能水凝胶可能的发展方向。
目前研究最多的可生物降解智能水凝胶有壳聚糖类和PEG-PLGA 等嵌段共聚物类。
2壳聚糖类
壳聚糖是一个带有阳电荷的天然多糖,是甲壳素脱
去乙酞基后的产物,被誉为“最具潜力的生物高分子”。壳聚糖的生物相容性好,体内可降解,在给药系统中受到特别的关注。但壳聚糖分子中存在较强的氢键,只能溶于稀酸中,且溶解度亦不大;壳聚糖在酸性溶液中不够稳定,即使在室温下也会降解。壳聚糖的溶解、加工过程需要一定的时间,很难满足环境、纺织、日用化妆品、医疗等领域的需要
[7,8]
。通过改性可较好地解决壳
聚糖的溶解性、稳定性和加工性等问题。壳聚糖分子内存在的羟基、氨基等官能团为改性提供了方便。通过引入不同性质的官能团,可得到不同性能和功效的壳聚糖衍生物。在制备智能水凝胶方面,常用的改性方法是复合改性。复合改性主要包括接枝共聚[9~11]
、辐照和化学
交联
[12~18]
、共混和互穿聚合物网络
[19,20]
等方法。壳聚糖
的功能基团可作为反应性基团与合成高分子发生嵌段共聚、缩聚等反应,从而改性壳聚糖,合成具有生物可降解的壳聚糖基新型功能材料。
Mahavinia [9]
等在均相介质中,采用铈引发剂引发丙烯腈与壳聚糖接枝共聚,制备了聚丙烯腈接枝的壳聚糖。该物质水解后,产后了一种具有超吸附能力的智能水凝胶,该凝胶具
有超吸收能力、pH 敏感和盐敏感,是一种潜在的药物载体。Mahdavinia [10]等还使用过二硫酸钾(KPS 作为自由基引发剂,亚甲基双丙烯酰胺(MBA 为交联剂,制备了丙烯酸(AA 和丙烯酸酰胺(AAM 接枝共聚的壳聚糖。研究了MBA 浓度以及
AA/AAM 比例对其吸水能力的影响。该凝胶体现了两亲性、可逆的pH 响应性和盐敏感性等特征。pH 可逆性以及水凝胶的“开-关”性质使得这种智能聚合物可望成为生物活性试剂,如药物的载体。俞玫
[11]
通过接枝共聚反
应制备了几种壳聚糖接枝聚丙烯酰胺水凝胶,其中以过硫酸钾为自由基引发剂,亚甲基双丙烯酰胺或甲醛为交联剂,并研究了实验因素,如交联剂浓度和单体比率对水凝胶溶胀能力的影响。实验表明该水凝胶具有离子强度、pH 值和温度敏感性。这种可随外界因素响应及
“开
-关”的性质,使此类智能水凝胶有望成为生物制品载体,例如药物载体。而吴国杰等[12]以聚乙烯醇(PVA和壳聚糖为原料、以戊二醛为交联剂,在醋酸溶液中合成了聚乙烯醇-壳聚糖复合水凝胶,研究了影响水凝胶溶胀性能的多种因素。聚乙烯醇-壳聚糖复合水凝胶因具有优良的机械强度、生物相容性及生物降解性,同时又具有pH/离子/温度敏感性,因此日益显示其在生物医学材料等领域的重要性。陈欢欢等[13]利用壳聚糖的化学交联和聚乙烯醇(PVA的物理交联作用来提高壳聚糖/甘油磷酸体系的凝胶密度和凝胶强度,形成互穿网络结构体系,并在甘油磷酸盐作用下形成具有温度敏感pH依赖型的水凝胶,在体温下能迅速成胶。通过交联剂进一步强化后的互穿网络体系结构更致密,机械强度好。Fourier红外光谱证明凝胶中存在交联剂和壳聚糖形成的Schiff’s键。经PVA和化学交联后的温敏凝胶具有更紧密的结构,在原位温敏性可生物降解植入剂应用领域中具有发展潜力。Chen[14]等成功的制备
了包含装载有成骨形成蛋白(BMP微球的甲基丙烯酸缩水甘油酯壳聚糖(Dex-GMA/明胶水凝胶支架。其结果表明,通过改变Dex-GMA与明胶的量,可调节水凝胶的最低临界溶液温度(LSCT接近体温,从而使BMP能够得到控制释放。该材料具有温敏和可生物降解性,有望应用于药物释放体系和组织工程。杨黎明等[15]采用电子束对壳聚糖和丙烯酸混合水溶液进行辐照,制得了壳聚糖/聚丙烯酸(CS/PAAc共聚物水
凝胶。该水凝胶具有pH 敏感性,在强酸性(pH≈1和碱性(pH>7条件下均表现出较好的溶胀性;而在pH=2~5范围内溶胀率较小。同时,随着辐照剂量的增大,产物的溶胀率也随之增大。在酸性条件下溶胀率增大的效果并不明显,当pH>6时增大效果较显著。王胜等[16]以聚乙烯醇(PVA和羧甲基壳聚糖(CMCh为原料,采用60Co-γ射线
辐照交联制备聚乙烯醇/羧甲基壳聚糖(PVA/CMCh水凝胶,研究了PVA与CMCh的配比、温度、pH及离子强度等对PVA/CMCh水凝胶溶胀率的影响。结果表明适当配比的PVA/CMCh水凝胶具有一定的温度、pH及离子敏感性。Cai等[17]采用γ
辐射制备了壳聚糖接枝聚丙烯酰胺水凝胶,该凝胶具有温敏和pH双重响应。谢云涛等[18]制备了pH敏感性壳聚糖/聚乙烯醇(CS/PVA水凝胶,研究了该水凝胶在室温下不同pH值介质中的溶胀比。结果发现,在酸性溶液中,凝胶的溶胀比远大于在碱性溶液中的溶胀比,且其在不同pH值溶液中具有可逆溶胀/收缩行为,对药物氟哌酸具有缓释效果。此外, Boriacchiello等[19]采用共混的方法合成了一种含有丙烯酸(AA 和丙烯酸甲酯(MA的壳聚糖水凝胶。由于聚丙烯酸的引入,壳聚糖的溶胀和机械属性大大提高,并且这种物质的溶胀度不随MA/AA比例的变化而变化,而其机械属性则随MA/AA比例的变化而变化。Khalid等[20]制备的壳聚糖/环氧乙烷半互穿聚合物网络(semiIPN,Semi-Interpenetrating Network水凝胶,发现相对于壳聚糖凝胶对照
品而言,其对pH更为敏感,且由于亲水性的环氧乙烷链的存在而含有更多的结合水,机械特性更佳。
此外,Chenite等[21,22]开发了壳聚糖原位凝胶控释系统,通过在壳聚糖溶液中加入生物适应的甘油磷酸盐,使得壳聚糖溶液在低于体温的生理pH值环境中保持液态,体温时在注射原位形成凝胶。体内实验证实了上述注射剂的可靠性和释放药物的有效性。Wu等[23]采用壳聚糖与缩水甘油三甲基氯化铵反应合成了季铵盐壳聚糖(HTCC。然后又将HTCC与甘油磷酸酯(GP反应,合成了一种具有热敏和温敏的新
型智能水凝胶(HTCC/GP,并且将其作为智能药物释放载体。张杰等[24]制备了基于壳聚糖和多羟基盐类化合物的凝胶给药系统,研究了其柱状凝胶和球状凝胶的制备以及其温度和pH双重感应性。结果表明,该系统在低于室温时呈液态,升温至37℃左右则形成固态凝胶,并且凝胶温度越高,凝胶强度越好。并以VB12为模型药物,对柱状凝胶在不同pH环境下的释放特性进行了表征。
3嵌段共聚物类
PLGA(Poly(DL-lactide-co-glycolide在人体内能够降解,而且其降解产物对人体无害。它与PEG (Poly(ethylene glycol共聚,能够加速其降解,并能形成具有温度敏感的水凝胶。由于PEG-PLGA-PEG三嵌段共聚物在药物释放领域有广泛的应用前景,因此已成为科学家们研究的另一热点。其中Jeong等在这方面做了大量工作。Jeong等[25]合成的PEG-PLGA-PEG三嵌段共聚物在室温下是可自由流动的溶胶,在体温时则变成透明的凝胶。由于引入了PLGA嵌段,使聚合物能够在体内逐渐降解,最终被排除体外。在原位注射后,形成的凝胶可长期保持完整性。因此,PEG-PLGA-PEG体系可应用于注射的长期药物释放。Jeong等[26]还合成了一类可以克服分子量限制的温敏性的可生物降解的接枝共聚物——PLGA-g-PEG。在23℃时,该共聚物水溶液(25%(质量分数的黏度适宜注射;当温度升高,在30℃时发生溶胶-凝胶(sol-gel转变;若温度升高至50℃以上, PLGA-g-PEG水溶液出现明显的相分离。该系统在药剂原位注射缓释方面极有潜力。这种共聚物是将DL-丙交酯、乙交酯和环氧链端的聚乙二醇一步开环聚合而成。此外, Chen等[27]采用丙交酯、乙交酯以及乙二醇的开环聚合,合成了不同嵌段长度的三嵌段共聚物PLGA-PEG-PLGA,并将其用于体内长期控制释放蛋白质。研究表明,增加嵌段长度和浓度有利于降低药物的释放速度。因而改变共聚物PLGA-PEG-PLGA的嵌段长度和浓度,有望用于控制释放药物。Li等[28]将PEG-PLGA-PEG用于控制
释放质粒体DNA(pDNA。结果表明,PEG-PLGA-PEG 为控制释放pDNA提供了一个很有前景的平台。它代表了一种新的释放策略,在治疗伤口方面可能作为基因治疗的非病毒载体。林浩等[29]用聚乙二醇PEG1000和4600引发乙交酯(GA和L-丙交酯(L-LA开环共聚合得到一系列数均分子量为3000~7000的PLGA-PEG-
PLGA水凝胶材料。综合应用动态粘弹谱仪和相图,系统报道了该凝胶力学性质和
溶胶/凝胶转变的关系,凝胶区间的模量在102~104Pa之间。用荧光光谱证明了该三嵌段聚合物形成胶束的性质并测定了临界胶束浓度,验证了凝胶由胶束形成的机理。凝胶中的头孢他定释放呈现一定程度的缓释作用。刘兆民等[30]合成了不同嵌段的可降解的温敏型聚乙交酯丙交酯-聚乙二醇-聚乙交酯丙交酯共聚物(PLGA-PEG-PLGA。用辐照法成功地进行了PLGA-PEG-PLGA分子量的调整。
Shim等[31,32]采用聚乙二醇(PEG、聚乙交酯(PGA、ε-已内酯(CL和磺胺二甲嘧啶寡聚物(OSMs合成了新颖的pH和温度敏感的可生物降解的三嵌段共聚物(OSM-PCGA-PEG-PCGA-OSM。研究了抗癌试剂紫杉醇(PTX在该嵌段共聚物中的装载和控制释放。通过体外实验和体内实验表明,OSM-PCGA-PEG-PCGA-OSM是PTX的有效的可注射载体。
4其它
邱立焱等[33]采用亲核取代引入侧基再进一步修饰的方法合成了一种新型的可降解聚膦腈——聚膦腈药物控释系统。这种聚合物降解行为表现出强烈的pH响应性,即聚合物的降解在pH为6.0~7.4之间迅速加快。这类聚合物可望作为肠定位口服药物控释制剂的载体材料。
De Jong等[34]开发了一种立体络合物热敏性水凝胶聚合物系统——右旋糖苷乳酸立体络合物水凝胶控释系统。基于连接到右旋糖苷上的乳酸低聚物的自组装作用,L-乳酸和D-乳酸低聚体被偶联在右旋糖苷上。分别将产物溶解在水中,然后混合,在室温下即可形成水凝胶。这种方法可望被用来将药剂中的活性物质传递到体内而不需要交联剂和有机溶剂。
刘冰等[35]以天然高分子魔芋葡甘聚糖(KGM和聚N-异丙基丙烯酰胺(PNIPA
为组分,采用顺序IPN 技术合成了KGM/PNIPA互穿网络聚合物凝胶。不同温度下的溶胀实验证明所得凝胶具有良好的温度敏感性,且反应物投料比对其溶胀性能有较大影响。去溶胀和再溶胀实验结果表明,该IPN凝胶能在5min内大量失水或吸水,证明它具有快速的温度响应性。体外降解实验表明,该凝胶依然保持了KGM的生
物可降解性及酶降解特异性,且随着IPN网络中KGM组分的增加,凝胶的降解率和降解速率也明显增加。利用所得到的KGM/PNIPA的温敏性和酶降解特异性,可望开发其在生物医用材料上的用途。如用作口服药物载体,可在室温(20℃左右下包载药物,在较高温度(体温依靠体内酶降解释药。由于KGM不被上消化道的胰酶降解,而只能被存在于结肠部位的β-糖苷酶所降解,因而可实现药物的结肠定位释放,有着良好的应用前景。
王云普等[36]以明胶和PVA两种可完全生物降解的高分子为原料,在室温下合成了戊二醛交联的高分子凝胶网络。溶胀动力学表明,凝胶网络中PVA成分越多,其平衡溶胀比越大。凝胶在酸性介质和碱性介质中的溶胀比较明胶等电点附近的溶胀比大,具有明显的pH敏感性。不同pH条件下的溶胀-消溶胀动力学说明,明胶-PVA 水凝胶具有“形状记忆”功能。
杜鹃等[37]制备了含聚(1,3-二氧戊环链段、具有pH敏感性的可降解聚合物凝胶网络。该网络可在水中及有机溶剂中溶胀,且由聚(1,3-二氧戊环构成的水凝胶成分可以在酸性介质中降解,使网络解体。凝胶在碱性介质中的溶胀性比酸性介质要好,随pH值增加,溶胀度增大。在酸性条件下,凝胶会先溶胀后降解。这是由于聚合物凝胶的羧基在碱性条件下更易电离的缘故。
ZHENG等[38]把葡聚糖-烯丙基异氰酸酯(Dex-Al和聚N-异丙基丙烯酰胺(PNIPAAm通过紫外交联合成了部分生物降解和热敏性的水凝胶Dex-Al/ PNIPAAm。这种既具生物降解性又具热敏性的水凝胶有可能广泛应用于很多领域,如生物医学和生物工程领域。
张晓丽等[39]采用自由基聚合合成了具有两亲性的N-异丙基丙烯酰胺(NIPAm 与衣康酸(IA共聚物水凝胶(NIPAm-co-IA,利用互穿网络(IPN技术合成了壳聚糖(CS 异丙基丙烯酰胺与衣康酸互穿网络水凝胶IPN (CS/NIPAm-co-IA。研究表
明,IPN(CS/NIPAm-co-IA水凝胶具有良好的pH及温度敏感性,研究了其对辅酶A 的控制释放,发现其对辅酶A具有良好的控制释放作用。
5展望
综上所述,目前研究的可生物降解智能水凝胶主要有两大类,一类来源于天然高分子如壳聚糖、明胶等,另一类来源于合成高分子如PEG-PLGA嵌段共聚物等。天然高分子虽然具有价格低廉,可完全降解且血液和组织相容性良好等优良性能,但其力学强度通常较差、且性能随批次不同而有差异。而合成高分子则可以从分子化学的角度来设计分子主链的结构,从而来控制高分子材料的物理性能。充分利用来自自然界中提取或合成的各种小分子单体[40]来合成水凝胶,不仅来源充足,而且所得水凝胶的血液和组织相容性良好。另一方面,目前的可降解智能型水凝胶网络,通常由可降解的片断与不可降解的片断通过交联剂交联制得,如部分化学改性的
壳聚糖水凝胶以及嵌段共聚物等。这样得到的交联网络并不是真正意义的完全可降解。
生物可降解聚合物作为缓控释、靶向给药系统的载体已日见端倪。新型生物可降解材料的研发促进了药物传递系统的发展,而新型药物传递系统的发展对载体材料又提出了更高、更新的要求。酯键(—COO—、酰胺键(—CONH—、酸酐键(—COOCO—和醚键(—O—等遇水可水解断键,且其水解速率具有pH依赖性。选择具有良好生物相容性的天然或合成小分子为原料,合成以这些键为交联结构的智能水凝胶,可望形成一类具良好组织相容性的完全可降解水凝胶。通过控制这些键的种类和含量,可望精确控制水凝胶的响应pH范围。设计和合成结构新颖,集良好生物相容性、完全可降解和智能型于一身的水凝胶将成为未来研究的主要方向之一。
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Research progress of biodegradable intelligent hydrogels
SUN Jiao-xia1,LUO Yan-feng2,QU Sheng2
(1.College of Chemistry&Chemical Engineering,Chongqing
Univercity,Chongqing400044,China;
2.College of Bioengineering,Chongqing University,Chongqing400044,China
Abstract:Biodegradable intelligent hydrogels have attracted more and more attentions for their potential applications in the biomedical field.The current research status on biodegradable intelligent hydrogels and their applications in drug delivery systems were reviewed in this article,and its potential research direction was further predicted.
Key words:biodegradable;intelligent hydrogel;drug delivery system;review
智能材料及其发展 1.材料的发展 材料是人类用于制造物品、器件、构件、机器或者其他产品的物质，是人类生活、生产的基础，是人类认识自然和改造自然的工具，与信息、能源并列为人类赖以生存、现代文明赖以发展的三大支柱。材料也是人类进化的标志之一，一种新材料的出现必将促进人类文明的发展和科技的进步，从人类出现，经历旧石器时代、新石器时代、青铜时代……，一直到21世纪，材料及材料科学的发展一直伴随着人类的文明的进步。在人类文明的进程中，材料大致经历了一下五个发展阶段。 1）利用纯天然材料的初级阶段：在远古时代人类只能利用纯天然材料（如石头、草木、野兽毛皮、甲骨、泥土等），也就是通常所说的旧石器时代。这一阶段人类只能对纯天然材料进行简单加工。 2）单纯利用火制造材料阶段：这一阶段跨越了新石器时代、青铜时代和铁器时代，它们风别已三大人造材料为象征，即陶、铜、铁。这一时期人类利用火来进行烧结、冶炼和加工，如利用天然陶土烧制陶、瓷、砖、瓦以及后来的玻璃、水泥等，从天然矿石中提炼铜、铁等金属。 3）利用物理和化学原理合成材料阶段：20世纪初，随着科学的发展和各种检测手段及仪器的出现，人类开始研究材料的化学组成、化学键、结构及合成方法，并以凝聚态物理、晶体物理、固体物理为基础研究材料组成、结构和性能之间的关系，并出现了材料科学。这一时期，人类利用一系列物理、化学原理、现象来创造新材料，这一时期出现的合成高分子材料与已有的金属材料、陶瓷材料（无机非金属材料）构成了现代材料的三大支柱。除此之外，人类还合成了一系列的合金材料和无机非金属材料，如超导材料、光纤材料、半导体材料等。 4）材料的复合化阶段：这一阶段以20世纪50年代金属陶瓷的出现为开端，人类开始使用新的物理、化学技术，根据需要制备出性能独特的材料。玻璃钢、铝塑薄膜、梯度功能材料以及抗菌材料都是这一阶段的杰出代表，它们都是为了适应高科技的发展和提高人类文明进步而产生的。 5）材料的智能化阶段：自然界的材料都具有自适应、自诊断、自修复的功能。如所有的动物和植物都能在没有受到毁灭性打击的情况下进行自诊断和修复。受大自然的启发，近三四十年的研发，一些人工材料已经具备了其中的部分功能，即我们所说的智能材料，如形状记忆合金、光致变色玻璃等。但是从严格意义上将，目前研制成功的智能材料离理想的智能材料还有一定的距离。 材料科学的发展主要集中在以下几个方面：超纯化（从天然材料到复合材料）、量子化
隐身斗篷的研究进展及存在问题 摘要：隐身斗篷，由硅纳米材料制造而成，利用该特殊材料折射或吸收大部分光线，从而达到隐形的目的。本文主要总结归纳现如今应用于隐身斗篷的各种主要材料，详细论述了基于超材料特殊电磁特性的隐身技术，简单介绍部分材料应用原理。 关键词：影身斗篷，超材料，限元分析软件，均匀介质 1. 隐身斗篷的应用前景 隐形斗篷我其实是在电影Harry Potter 中第一次知道，它常被哈利拿来干一些从霍格华兹魔法学校里偷跑出来如此的事情。现实中科学家们也一直在研究它。在不远的将来，隐身斗篷将会真的存在于现实世界中了。而且隐身斗篷的应用前景非常广。隐身技术在外科手术，军事航空等多个领域中获得广泛的应用。例如， “地震斗篷”——能够让冲击波、暴风浪或者海啸在所遮蔽的物体面前变成“瞎子”，进而达到保护建筑物的目的。同时为提高战场生存能力, 隐身技术越来越多地应用于军用装备上。随着军用探测技术的不断进步, 对军用装备隐身性能的要求不断提高, 传统的隐身技术已经不能满足要求。 2. 隐身材料及其隐身原理 2.1 超材料 众所周知,介电常数和磁导率是用于描述物质电磁特性的基本物理量,决定着电磁波在物质中的传播特性。迄今为止,自然界中天然物质的介电常数和磁导率均大于或等于1。2000年,Smith 等人利用金属铜的开环共振器和导线组成2 维周期性结构,首次在实验室制造出微波频段具有负介电常数和负磁导率的介质材料,引起科学界的轰动。随后,双负材料、单负材料、手性材料、理想磁导体和理想电导体等材料成为科学研究的热点，并将这些材料统称为超材料(metamaterials)。由于超材料具有一系列特殊的电磁特性,因而具有广阔的应用前景。 2.1.1超材料椭圆柱电磁斗篷 文献[1] 利用有限元分析软件Comsol Multip hysics 分析了超材料介电常数偏差、磁导率偏差 和损耗对电磁斗篷场分布的影响,并讨论了在电 磁斗篷内放置不同电磁特性的物体后斗篷外电 场分布的变化。 图1 为TE 波辐射下超材料椭圆柱电磁斗篷 的计算模型。超材料椭圆柱是沿z 轴放置的无限 长空心柱,其横截面为xOy 平面,椭圆中心为坐标 原点,内外径短轴分别为a 和b ,长轴分别为ka 和 kb ,其中, k 为长轴与短轴之比,仿真时取k = 6 , a =0. 1 m ,b = 0. 2 m 。在图1 所示的左边完全匹配 层( PML) 的内表面施加沿z 轴方向电流,激励起 沿x 轴方向(水平) 传播的频率为2 GHz 的TE 波。计算区域四周是PML 吸收层,斗篷内外均为空气。 通过文献[1]计算可知，超材料介电常数和磁导率空间分布如图2所示。图2 (a) 为介电常数分量在xOy 平面上的空间分布,由图可以看出,在x = 0 或y = 0 的平面上 xx 最小,同时在两图1 TE 波辐射下超材料椭圆柱电磁斗篷的计
龙源期刊网 https://www.doczj.com/doc/d71280332.html, 智能材料的研究现状与未来发展趋势 作者：邓焕 来源：《科学与财富》2017年第36期 摘要：智能材料这一概念在上世纪80年代首次被提出，近年来，关于智能材料在航空航天领域的研究与应用被频繁提及。由于智能材料具备着结构整体性强、可塑性高、功能多样化等优点，因此在航空航天领域得到了广泛的研究与使用，首先根据功能性的不同对智能材料进行了系统的分类与概述，然后对当前智能材料在航空航天领域的主要应用进行了系统性的分析与总结，最后对智能材料在未来的航空航天的应用前景中进行了进一步地展望。 关键词：智能材料；复合材料；航空航天；功能多样化 1 引言 进入二十一世纪以来，全球各大航空航天强国在航天航空领域投入了大量的研发资金，而作为航空航天领域重要环节的航天材料，近年来也不断有着新的突破，而其中被提及最多的就是智能材料在航空航天领域的应用。在智能材料的范畴中，智能复合材料最具有代表性，智能复合材料主要具备着：外界环境感知功能；判断决策功能；自我反馈功能；执行功能等。此外，由于当前智能复合材料都向着轻量化、低成本化的方向发展，因此在航天领域复合材料的设计结构以及使用用途上都有着不同的侧重发展方向。而近年来国内外各国也均加快了各自在该领域的研发使用发展进度，主要的研究大方向还是集中在了智能检测、结构稳定性、低成本化等方向上，本文着重对相关部分进行系统性的概述与总结。 2 航空航天领域智能复合材料的功能介绍 在航空航天领域中，国内外普遍利用智能复合材料以实现在降低航空航天飞行器的自身重量的前提下保证系统结构的稳定性，其次根据复合智能材料具备智能检测自身系统内部工作状态和自愈合等功能实现航空航天材料在微电子与智能应用方向的交叉发展。 2.1 智能复合材料在航天结构检测方向的应用 智能复合材料在航空航天器中的应用，主要是通过将传感器以嵌入的方式与原始预浸料铺层以及湿片铺层等智能复合材料紧密键合，最终集成在控制芯片控制器上实现对整个系统的实时监控诊测、自我修复等供能，值得注意的是，在这一过程中，智能化不仅仅是符合材料的必要功能，复合材料在很大程度上可以有效承受比传统应用材料更大外界机械压力[1]。 除此之外，由于智能复合材料作为传感器的铺放衬底，因此智能复合材料还可以实现对整个材料内部结构的状况进行收集并且将出现的诸如温度异常、结构异常、表面裂痕等隐患及时反馈至中央处理器，这在一定程度上可以有效实现整个系统内部的检测与寿命预测，在这方面的技术上，美国的Acellent公司研发的缠绕型复合材料以压力感应的形式，按照矩形布线形式
智能材料及其在医学领域的应用 目录 1、智能材料的概述 1.1智能材料的定义和基本特征........................................................ 1.2智能材料的构成............................................................................ 1.3智能材料的分类............................................................................ 1.4智能材料的制备............................................................................ 2、智能材料的应用领域 2.1智能材料的研究方向................................................................... 2.2智能材料在医学上的应用............................................................ 2.3智能材料在医疗方法中的应用....................................................
2.4智能材料在医学器械方面的应用................................................. 3、结束语.................................................................... 4、参考文献................................................................ 摘要本文综合评述了智能材料的研究、应用和进展。对智能材料与结构的概念进行了描述，全面总结了智能材料智能材料生物医药方面的应用, 探讨了智能材料光明的应用前景和发展趋势。 关键词智能材料；医学应用；发展 1智能材料的概述 1.1定义：智能材料（Intelligent material），是一种能感知外部刺激，能够判断并适当处理且本身可执行的新型功能材料。智能材料是继天然材料、合成高分子材料、人工设计材料之后的第四代材料，是现代高技术新材料发展的重要方向之一，将支撑未来高技术的发展，使传统意义下的功能材料和结构材料之间的界线逐渐消失，实现结构功能化、功能多样化。科学家预言，智能材料的研制和大规模应用将导致材料科学发展的重大革命。 基本特征：因为设计智能材料的两个指导思想是材料的多功能复合和材料的仿生设计，所以智能材料系统具有或部分具有如下的智能功能和生命特征： （1）传感功能（Sensor）
智能复合水凝胶材料研究进展 综述了近年来以无机增韧相（石墨烯、金、粘土和二氧化硅）和生物质增强相（纤维素和木质素）为基的智能水凝胶复合材料的研究进展；概括了其在增韧增强的同时带来的新功能，并对智能水凝胶复合材料的应用前景进行了展望。 标签：智能复合水凝胶材料；无机物；生物质；应用 智能水凝胶是能够对外界环境（如温度、pH、电场、光、磁场、特定生物分子等）微小的变化或刺激有显著响应的三维网络结构的亲水性聚合物。基于水凝胶的三维网络结构和环境敏感性，智能水凝胶广泛应用于记忆材料[1]、药物缓释[2～4]、敷料、组织工程[5]、智能纺丝、化学机械器件、物质分离、酶的固载等领域。由于水凝胶网络中缺少有效的能量耗散机制，积累的能量接近裂纹尖端不能在凝胶中消散，导致水凝胶存在易断裂、力学强度低、韧性差等缺点[6]，从而限制了其在实际生活中的应用。为此，可以通过加入类似于陶瓷基复合相的增韧相或者生物质基增强相来吸收裂纹扩展释放的能量，从而达到增强水凝胶机械强度的目的。本文综述了利用无机物增韧相，生物质基增强相等复合材料改进智能水凝胶性能，实现增韧、增强作用，同时引进新的基团赋予其新功能，展望了智能复合水凝胶材料的应用前景。 1 智能复合水凝胶种类 1.1 无机物复合相 陶瓷基复合材料的增韧相是无机物复合相使用最为广泛的材料之一，如粘土、二氧化硅、石墨烯类、纳米金属等。无机增强相分散在连续相中，达到增强水凝胶的作用。 1.1.1 石墨烯类 石墨烯是目前自然界最薄、最强韧的材料，断裂强度比钢材的还要高200倍，它具有非常好的导热性、电导性、透光性和超大比表面积等特性，同时具有较好的弹性[7]。其独特的结构及性能可显著提高复合材料的机械性能与热稳定性。氧化石墨烯（GO）是石墨烯的一种重要衍生物，其表面有大量的羟基、环氧基及羧基，在水溶液和极性溶剂中有良好的分散性，可与亲水性聚合物形成纳米复合水凝胶材料。GO的亲水性基团增强了GO与基体材料间的界面相互作用，具有良好的相容性，能显著改善材料的力学性能。Shi等[8]将少量化学交联的小分子和物理交联的氧化石墨烯纳米粒子混合制备了新型近红外（NIR）光响应性的聚（N-异丙基丙烯酰胺）/氧化石墨烯（PNIPAM-GO）高拉伸性能的纳米复合水凝胶。 1.1.2 金
隐身材料的应用与研究前景 摘要：探讨了隐身材料的种类与现状和存在问题，未来研究及发展方向等，介绍了雷达隐身、红外隐身等几种常见的隐身技术，分析未来隐身技术的发展趋势 关键词：隐身材料隐身技术 正文： 隐身材料是隐身技术的重要组成部分，在装备外形不能改变的前提下，隐身材料（stealth material）是实现隐身技术的物质基础。武器系统采用隐身材料可以降低被探测率，提高自身的生存率，增加攻击性，获得最直接的军事效益。因此隐身材料的发展及其在飞机、主战坦克、舰船、箭弹上应用，将成为国防高技术的重要组成部分。对于地面武器装备，主要防止空中雷达或红外设备探测、雷达制导武器和激光制导炸弹的攻击；对于作战飞机，主要防止空中预警机雷达、机载火控雷达和红外设备的探测，主动和半主动雷达、空对空导弹和红外格斗导弹的攻击。为此，常需要雷达、红外和激光隐身技术。 隐身材料的分类 隐身材料按频谱可分为声、雷达、红外、可见光、激光隐身材料。按材料用途可分为隐身涂层材料和隐身结构材料。 1.雷达吸波材料 雷达吸波材料是最重要的隐身材料之一，它能吸收雷达波，使反射波减弱甚至不反射雷达波，从而达到隐身的目的。如日本研制的一种由电阻抗变换层和低阻抗谐振层组成的宽频带高效吸波涂料，其中变换层由铁氧体和树脂混合组成，谐振层由铁氧体导电短纤维和树脂组成，在1～20吉赫的雷达波段上吸收率达20分贝以上。雷达吸波材料中尤以结构型雷达吸波材料和吸波涂料最为重要，国外目前已实用的主要也是这两类隐身材料。雷达吸波涂料主要包括磁损性涂料、电损性涂料。 (1)磁损性涂料磁损性涂料主要由铁氧体等磁性填料分散在介电聚合物中组成。目前国外航空器的雷达吸波涂层大都属于这一类。这种涂层在低频段内有较好的吸收性。美国Condictron公司的铁氧体系列涂料，厚1mm，在2～10GHz内衰减达10～12dB，耐热达500℃；Emerson公司的Eccosorb Coating 268E厚度1.27mm，重4.9kg/m2，在常用雷达频段内(1～16GHz)有良好的衰减性能(10dB)。磁损型涂料的实际重量通常为8～16kg/m2，因而降低重量是亟待解决的重要问题。 (2) 电损性涂料电损性涂料通常以各种形式的碳、SiC粉、金属或镀金属纤维为吸收剂，以介电聚合物为粘接剂所组成。这种涂料重量较轻(一般可低于4kg/m2)，高频吸收好，但厚度大，难以做到薄层宽频吸收，尚未见纯电损型涂层用于飞行器的报道。90年代美国Carnegie-Mellon大学发现了一系列非铁氧体型高效吸收剂，主要是一些视黄基席夫碱盐聚合物，其线型多烯主链上含有连接二价基的双链碳-氮结构，据称涂层可使雷达反射降低80%，比重只有铁氧体的1/10，有报道说这种涂层已用于B-2飞机。 2.复合型红外隐身材料 复合型红外隐身材料主要有涂料型隐身材料、多层隐身材料和夹芯材料。
水凝胶的研究进展 俊机哥哥07 (广西师范学院化学与生命科学学院09高分班) 摘要:本文对水凝胶的制备方法、性质及其应用进行了简单的介绍。关于水凝胶的制备，我们在文章的介绍了三种方法：单体聚合并交联、聚合物交联、载体的接枝共聚。 关键字: 水凝胶制备性质应用生物医学 前言 水凝胶这个词最早出现于1960年，当时是由捷克的Wicherle和Lim研制的聚强乙基丙烯酸甲酯。它本身是硬的高聚物，但它吸收水分后就变成具有弹性的凝胶，故称水凝胶。水凝胶是一类具有三维网络结构的聚合物，在水中能够吸收大量水分而溶胀，并在溶胀之后能够继续保持其原有结构而不被溶解。水凝胶可由不同的亲水单体和疏水单体聚合而成。由于其具有三维网络结构，故相对分子质量很高，其交联网络结构主要由化学键、氢键或范德华力等组成。溶胀时溶液可以扩散进入交联键之间的空间内，交联密度越大，三维网络间的空问就越小，水凝胶在溶胀时吸收的水分也就越少。由于水凝胶表面不易粘附蛋白质和细胞，故在与血液、体液及人体组织相接触时会表现出良好的生物相容性；另外，水凝胶由于含有大量的水分而非常柔软，并且类似于生物体组织，故作为人体植入物可以减少不良反应。因此，水凝胶被作为优良的生物医学材料得到广泛应用2。例如，PVP水凝胶可作为眼科手术中黏弹物质及人工玻璃体材料。PVA水凝胶可用于关节重建、人工软骨、人工喉及人工玻璃体。PVA 是第一个被广泛使用在移植方面的水凝胶。水凝胶已被用做鼻子、面部、缺唇修补、替
代耳鼓膜等方面。水凝胶用做人工软骨、腱以及主动脉接枝不久将被商业化。另外，水凝胶在日用品，工业用品，农业、土建等领域也有广泛应用。 1 水凝胶的制备 1. 1 单体聚合并交联 合成水凝胶的单体很多,大致分为中性、酸性、碱性3 种,表1 列出了部分单体及交联剂。 表1 水凝胶制备中常用的单体和交联剂 水凝胶可以由一种或多种单体采用电离辐射、紫外照射或化学引发聚合并交联而得。一般来说,在形成水凝胶过程中需要加入少量的交联剂。Nogaoka[12 ]及本文作者[13 ]等在不使用交联剂的情况下通过辐射引发使单体在水溶液中交联合成聚N2异丙基丙烯酰胺(polyNI2PAAm) 水凝胶,这种方法操作简单,交联度可通过改变单体浓度及辐射条件来控制,无任何添加成分,不会污染产品,可以一步完成产品的制备及消毒。与传统方法
可注射水凝胶的研究进展 一、水凝胶定义 水凝胶是一类能够吸收并保有大量水分的具有交联网络结构的聚合物，在聚合物网络结构中含有亲水基团或亲水的链段，它们在水环境中能够与水结合，从而形成水凝胶结构，这种水凝胶结构使得亲水的小分子能够在其中进行扩散。 原位可注射水凝胶是近年来出现的新型水凝胶体系。通过注射的方法将具有一定流动性的生物材料植入体内，因此很容易充满整个具有不规则形状的缺损部位，手术创伤非常微小。该体系可由酸碱度、温度的变化或者多价离子的存在而产生溶液-凝胶相转变，或通过共价键而形成水凝胶。 二、水凝胶分类 根据水凝胶对外界刺激的应答情况，可以分为两类化合物：一类是传统的水凝胶高分子材料，这类水凝胶对环境的变化相对不是很敏感；而另外一类则是对外界条件非常敏感的水凝胶高分子材料，这类水凝胶高分子材料由于对于不同的环境条件具有不同的应答表现，因此可以作为一种新型的智能材料来使用，具有良好的科研和市场应用前景。 智能型水凝胶是一种可以进行传感、处理并且具有执行功能的高分子材料，作为一种新型的智能材料，在诸多领域有着重要的用途。根据对外界环境条件的刺激表现出不同的响应情况可以分为：温度敏感性的水凝胶高分子材料、对于pH敏感性的水凝胶高分子材料、对光敏感的水凝胶高分子材料、对压力敏感的水凝胶高分子材料、对于生物分子敏感的水凝胶高分子材料、对于电场敏感的水凝胶高分子材料等。 1、温度敏感性水凝胶 这一类水凝胶高分子材料的溶胀与收缩性，对于温度的变化具有非常高的敏感度，具体表现为在较低温度下溶胀度较高，在相对较高温度下溶胀度比较低。该凝胶具有最低临界共溶温度（LCST），即溶胀度的变化和温度的变化并不是线性的，在某一温度下水凝胶的体积表现为突然的收缩和膨胀。 2、pH敏感性水凝胶 水凝胶高分子材料对于pH的敏感性是指其溶胀或消溶胀作用是随着pH值的不同而进行变化。具有pH响应性的水凝胶都是通过交联而形成大分子网络，网络中含有酸性或碱性基团，随着介质pH值、离子强度改变，这些基团发生电离，导致网络内大分子链段间氢键的解离，引起不连续的溶胀体积变化。 3、光敏感性水凝胶 水凝胶高分子材料的光敏感性是指水凝胶在受到光照的刺激下而发生的一种体积相互转变的现象。 除此之外还有磁性水凝胶、压力敏感性凝胶以及聚合物水凝胶等。 三、制备水凝胶的材料 凡是水溶性或亲水性的高分子，通过一定的化学交联或物理交联，都可以形成水凝胶。 理想的材料都应具备以下条件：①良好的生物相容性。②适当的生物降解性。
智能材料最新进展及展望 李洁能动管（硕）42班2140803011 摘要：本文综述了智能材料的概念、分类，重点介绍了智能材料的基础材料——压电材料、形状记忆材料的设计思路、特异性能和影响因素。智能材料的研究内容非常丰富，涉及了许多前沿学科和高新技术，应用领域十分广阔。智能材料结构系统的研究必将把人类社会文明推向一个新的高度。 关键词：智能材料；压电材料；形状记忆材料；前景 1.智能材料的基本概念及分类 1.1智能材料的基本概念 20世纪80年代中期，人们提出智能材料的概念。智能材料要求材料体系集感知、驱动和信息处理一体，形成类似生物材料那样的具有智能属性的材料，具有自感知、自诊断、自适应、自修复等功能。 对于智能的定义至今尚无统一的定论，我国科学家认为智能材料是模仿生命系统，能感知环境变化，并能实时地改变自身的一种或多种性能参数，做出所期望的、能与变化后的环境相适应的复合材料或材料的复合。 1.2智能材料的分类 智能材料按产生方式可分为天然智能材料和人工智能材料。前者主要指有机自然活体，比如肌肉、骨骼等，而后者是人为制造的具有智能功能的材料，因其中大部分受前者的启发而产生，故又称生物拟态材料。 智能材料按驱动方式可分为嵌入式智能材料（主动式智能材料）和本身具有一定智能的被动式智能材料。前者可以通过改变反馈系统，使其优化反应，能够随不同的条件做出不同的反应，还能够随时间发生变化，因而更加灵活机动，并为今后进一步发展成具有学习和预见能力的材料，促进智能材料向更高级阶段发展奠定了基础。【1】后者是某些材料结构本身具有随环境、时间改变的性能，例如变色太阳镜等。 2.智能材料的最新进展 2.1压电材料 压电材料是能够实现机械能与电能之间相互转换且具备压电效应的一类电
各专业全套优秀毕业设计图纸 目录 0 引言 (2) 1 智能材料结构的研究现状 (3) 1.1 智能传感技术 (3) 1.2智能驱动技术 (4) 1.3智能控制技术 (6) 1.4智能信息处理与传输 (6) 2 常用制备方法 (8) 2. 1 物理气相沉积法 (8) 2. 2 喷涂法 (8) 2. 3烧结法 (8) 2. 4 注射成型法 (8) 2.5创构智能材料的物理新技术 (8) 3智能材料的应用领域 (9) 3.1军事领域中的应用 (9) 3.2医学领域中的应用 (11) 3.3建筑领域的应用 (13) 3.4智能服装和纺织品领域的应用 (13) 3.5 未来热点应用 (14) 3 结束语 (15) 参考文献 (15)
智能材料研究进展及应用 侯博 材料与化工学院材料科学与工程 摘要：智能材料是广受瞩目的新兴材料科学门类,经过几十年的发展，已日趋成熟,必将逐渐深入到人类生活之中，且越来越多地影响乃至大范围地改变人们的生活方式。本文介绍了智能材料的基本构成和分类，对对智能材料结构的研究现状进行了阐述，并简单介绍了一些常用的制备方法，概述了其应用，探讨了其研究价值和广阔的发展应用前景。 关键词：智能材料智能传感技术智能驱动技术智能控制技术智能信息处理与传输 0 引言 材料是人类一切生产和生活水平提高的物质基础，是人类进步的里程碑。随着科技的发展，特别是20世纪80年代以来，现代航天、航空、电子、机械等高技术领域取得了飞速的发展，人们对所使用的材料提出了越来越高的要求，传统的结构材料或功能材料已不能满足这些技术的要求，材料科学的发展由传统单一的仅具有承载能力的结构材料或功能材料，向多功能化、智能化的结构材料发展。20世纪80年代末期，受到自然界生物具备的某些能力的启发，美国和日本科学家首先将智能概念引入材料和结构领域，提出了智能材料结构的新概念。 智能材料结构又称机敏结构(Smart/Intelligent Materials and Structures)，泛指将传感元件、驱动元件以及有关的信号处理和控制电路集成在材料结构中，通过机、热、光、化、电、磁等激励和控制，不仅具有承受载荷的能力，而且具有识别、分析、处理及控制等多种功能，能进行自诊断、自适应、自学习、自修复的材料结构。智能材料结构是一门交叉的前沿学科，所涉及的专业领域非常广泛，如:力学、材料科学、物理学、生物学、电子学、控制科学、计算机科学与技术等，目前各国都有一大批各学科的专家和学者正积极致力于发展这一学科[1]。当
智能材料设计技术及应用研究进展Design Technology and Application Advance of Intelligent Material 中国兵器工业集团第五三研究所 刘俊聪 王丹勇 李树虎 秦贞明 贾华敏 [摘要] 综述了智能材料的智能传感技术、智能驱动技术、智能控制技术3种关键设计技术，形状记忆材料、压电材料、智能高分子3种基础智能材料以及在船舶、电子、航空航天、土木工程等领域的应用进展，并对其未来技术发展进行了展望。 关键词:智能材料设计技术应用进展材料 [ABSTRACT] Three design technologies, for ex-ample, intelligent censoring technology, intelligent driving technology and intelligent controlling technology and three basic intelligent materials, for example, shape memory al-loy (SMA), piezoelectric material and intelligent polymers are summarized. And then its applications in boating, elec-trics, aerospace, civil engineering are introduced. Finally, the future development of intelligent materials’ design technology is prospected. Keywords: Intelligent material Design technol-ogy Application Advance Materials 20世纪80年代中期，人们提出了智能材料的概念，智能材料要求材料体系集感知、驱动和信息处理于一体，形成类似生物材料那样的具有智能属性的材料[1]。目前的文献中智能材料也被称为机敏材料、机敏结构、自适应结构、智能材料、智能结构，这些概念至今在国内外的文献中没有统一的定论，关于“机敏”和“智能”，不少文献也进行了说明[2-3]。 智能材料是一种能够判断、处理从自身表层或内部获取的关于环境条件及变化的信息并做出反应、以改变自身结构与功能，使其很好地与外界协调的、具有自适应性的材料系统[4]。 智能材料的基础是功能材料，功能材料通常可分为两大类，一类被称为驱动材料，它可以根据温度、电场或磁场的变化来改变自身的形状、尺寸、位置、刚性、阻尼、内耗或结构等，因而对环境具有自适应性功能，可用来制成各种执行器；另一类被称为感知材料，它对来自外界或内部的刺激强度及变化（如应力、应变、热、光、电、磁、化学和辐射等）具有感知，可用来做成各种传感器， 同时具有敏感材料与驱动材料特征的材料，被称为机敏材料。 智能材料在通常情况下不是单一材料，而是由多种材料系统组元通过有机的、紧密或严格的科学组装的一体化系统，是敏感材料、驱动材料和控制材料（系统）的有机结合。智能材料在促进航空航天领域的快速发展方面发挥着愈来愈重要的作用。 1 智能材料设计关键技术 1.1 智能传感技术 智能传感技术是实现智能结构实时、在线和动态检测的基础，其中用于感受周围环境变化以实现传感的一类功能元件叫传感元件，它相当于人的神经系统，通过埋入或粘结于主题材料内部或表面的传感元件能够有效地将所感受的物理量（如力、声、光、电、磁、热等）的变化转换成另一种物理量（如电、光的变化），它是结构实现智能化的基础元件之一。智能结构中的传感元件应满足如下要求：（1）厚度薄，尺寸小，不影响结构外形；（2）与主体材料相容性好，埋入后对原结构强度影响小；（3）性能稳定可靠，传感信号覆盖面宽，电磁兼容性好，抗干扰能力强[5]。 传感元件犹如一种感应器，可以感知外界信息的变化，进而将信息记录并传给材料，同时发出感应。故而，智能传感技术是智能材料发展的一项重要技术。 1.2 智能驱动技术 驱动技术包括驱动元件、激励和控制方式等，是智能结构实现形状或力学性能自适应变化的核心问题，也是困扰结构自适应的一个“瓶颈”。其中，驱动元件是使结构自身适应其环境的一类功能元件，它像人的肌肉，可改变结构的形状、刚度、位置、固有频率、阻尼、摩擦阻力、流体流动速率、温度、电场及磁场等。驱动元件是自适应结构区别于普通结构的根本特征，也是自适应结构从初级形态走向高级形态的关键。对驱动元件的要求如下：（1）与主体材料相容性好，具有较高的结合强度；（2）本身具有较好的机械性能，如弹性模量大、静强度和疲劳强度高、抗冲击等；（3）频率响应宽，响应速度快，激励后的变形量和驱动力大，且易于控制[5]。
2013. 02 399 第1期| D efense M anufacturing T echnology 新型隐身材料 研究进展 GLOBAL PERSPECTIVE 全球纵览 中国船舶重工集团公司第七二五研究所 张文毓 隐 身材料是实现武器隐身的物质基础。武器装备如飞机、舰船、导弹等 使用隐身材料后，可大大减小自 身的信号特征，提高生存能力。隐身材料按频谱可分为声、雷达、红外、可见光、激光隐身材料。按材料用途可分为隐身涂层材料和隐身结构材料。声隐身材料包括消声材料、隔声材料、吸声材料及消声、隔声、吸声的复合体，主要用于新一代潜艇。雷达隐身材料能吸收雷达波，使反射波减弱甚至不反射雷达波，从而达到隐身的目的。红外隐身材料主要用于车辆、舰艇、军用飞机及其他军用设施，使这些装备和设施的红外辐射与背景基本达到一致，敌人的红外探测器难以分辨。可见光隐身材料通常由铝粉、多属氧化物粉和有机物复合而成，或由掺杂的半导体材料构成，可形成与背景颜色相匹配的迷彩图案，满足可见光隐身的要求。激光隐身材料用来对抗激光制导武器、激光雷达和激光测距机，要求这 些材料对激光的反射率低，可吸收率高。研制了兼容型隐身材料，如雷达波、红外兼容隐身材料， 红外、激光兼容隐身材料，雷达波、红外、激光等多种兼容的隐身材料等。这是当前隐身材料的发展方向。隐身技术作为提高武器系统生存、突防，尤其是纵深攻击能力的有效手段，已成为集陆、海、空、天、电五维一体的现代多维战争中极为重要和有效突防的战 术技术手段，现正受到世界各主要军事强国的高度重视。 1 新型雷达隐身材料 目前，最受重视且发展较快的隐身技术是雷达隐身技术。武器的雷达截面与其外形、材料、雷达波入射角等因素有关。雷达隐身是迄今为止应用最为广泛的一种隐身技术。雷达隐身技术的 作用机理主要是通过减弱、吸收、抑制、散射目标的雷达回波强度，降低目标的有效探测概率，使目标在一定的范围内难以被对方雷达发现或识别。 1.1 武器实现雷达隐身的主要技术 途径 ①精心设计武器的外形 ；②采用雷达吸波材料和透波材料 ； ③采用电子措施降低兵器的雷达截面 （A.自适应加载技术。B.电子对抗措施。C.采取有源对消技术。）；④等离子体隐身技术。 雷达吸波材料的分类方法很多，主要有3类。按照材料损耗机理，可分为电介质型和磁介质型；按吸收原理可分为吸收型和干涉型；按吸波材料成型工艺和承载能力可分为涂敷型和结构型。 新型雷达波吸收材料有：纳米吸波材料；宽频谱吸波材料；手性吸波材料；导电高分子吸波涂料；结构吸波材料；多晶纤维 吸波涂料；电路模拟吸波材料；等离子体吸波材料。 结构型吸收雷达波材料是以 非金属为基体（如环氧树脂、热塑料等）填充吸波材料（铁氧体、石墨等）、由低介电性能的特殊纤维（如石英纤维、玻璃纤维等）增强 的复合材料，它既能减弱电磁波
水凝胶的应用和研究进展 摘要：水凝胶是一类具有广泛应用前景的高分子材料，本文主要叙述了水凝胶在生物医学、记忆元件开关、生物酶的固定、农业中的保水抗旱等领域的应用及研究进展，简要介绍了水凝胶在国内外研究状况，最后对其发展趋势作了展望。关键词：高分子材料；水凝胶；应用；进展 前言 水凝胶可定义为在水中能够溶胀并保持大量水分而又不能溶解的交联聚合物。分子能够在水凝胶中扩散。水凝胶的网络结构如图1所示。水凝胶具有良好的生物相容性,它能够感知外界刺激的微小变化，如温度、pH值、离子强度、电场、磁场等，并能够对刺激发生敏感性的响应，常通过体积的溶胀或收缩来实现。水凝胶的这一特点使它在生物医学领域、记忆元件开关、生物酶的固定、农业中的保水抗旱等方面有广泛的应用前景[1]。 图一，水凝胶的三维网络结构和扫描电镜图片 水凝胶有各种分类方法,根据水凝胶网络键合的不同,可分为物理凝胶和化学凝胶。物理凝胶是通过物理作用力如静电作用、氢键、链的缠绕等形成的,这种凝胶是非永久性的,通过加热凝胶可转变为溶液,所以也被称为假凝胶或热可逆凝胶。许多天然高分子在常温下呈稳定的凝胶态,如k2型角叉菜胶、琼脂等[2];在合成聚合物中,聚乙烯醇(PVA)是一典型的例子,经过冰和融化处理,可得到在60℃以下稳定的水凝胶[3]。化学凝胶是由化学键交联形成的三维网络聚合物,是永久性的,又称为真凝胶。 根据水凝胶大小形状的不同,有宏观凝胶与微观凝胶(微球)之分,根据形状的不同宏观凝胶又可分为柱状、多孔海绵状、纤维状、膜状、球状等,目前制备的微球有微米级及纳米级之分。根据水凝胶对外界刺激的响应情况可分为传统
的水凝胶和环境敏感的水凝胶两大类。传统的水凝胶对环境的变化如温度或pH 等的变化不敏感,而环境敏感的水凝胶[4,5]是指自身能感知外界环境(如温度、pH、光、电、压力等)微小的变化或刺激,并能产生相应的物理结构和化学性质变化甚至突变的一类高分子凝胶。此类凝胶的突出特点是在对环境的响应过程中其溶胀行为有显著的变化,利用这种刺激响应特性可将其用做传感器、控释开关等,这是1985年以来研究者最感兴趣的课题之一。 根据合成材料的不同,水凝胶又分为合成高分子水凝胶和天然高分子水凝胶。天然高分子由于具有更好的生物相容性、对环境的敏感性以及丰富的来源、低廉的价格,因而正在引起越来越多学者的重视。但是天然高分子材料稳定性较差,易降解,近几年不少学者开始了天然高分子与合成高分子共混合成水凝胶的研究工作[6,7],这将是今后的一大重要课题。 1 聚合物交联 从聚合物出发制备水凝胶有物理交联和化学交联两种。物理交联通过物理作用力如静电作用、离子相互作用、氢键、链的缠绕等形成。化学交联是在聚合物水溶液中添加交联剂,如在PVA水溶液中加入戊二醛可发生醇醛缩合反应从而使PVA交联成网络聚合物水凝胶。从聚合物出发合成水凝胶的最好方法是辐射交联法,所谓辐射交联是指辐照聚合物使主链线性分子之间通过化学键相连接。许多水溶性聚合物可通过辐射法制备水凝胶[9],如PVA、polyNI2PAAm、聚乙烯基吡咯烷酮(PVP)、聚丙烯酸(PAAc)、聚丙烯酰胺(PAAm)、聚氧乙烯(PEO)、聚甲基丙烯酸羟乙酯(PHEMA)等。采用辐射法合成水凝胶无须添加引发剂,产物更纯净。 2 水凝胶的性质研究 2.1 溶胀-收缩行为 吸水溶胀是水凝胶的一个重要特征。在溶胀过程中,一方面水溶剂力图渗入高聚物内使其体积膨胀,另一方面由于交联聚合物体积膨胀,导致网络分子链向三维空间伸展,分子网络受到应力产生弹性收缩能而使分子网络收缩。当这两种相反的倾向相互抗衡时,达到了溶胀平衡。 2.2 力学性能 水凝胶不仅要求具有良好的溶胀性能,而且应具有理想的力学强度,以满足
可生物降解智能水凝胶的研究进展* 孙姣霞1 ,罗彦凤2,屈 晟2 (1.重庆大学化学化工学院,重庆400044;2.重庆大学生物工程学院,重庆400044 *基金项目:重庆市自然科学基金资助项目(CSTC2006BB5010;国家自然科学基金资助项目(30470474 收到稿件日期:2007-06-08通讯作者:罗彦凤 作者简介:孙姣霞(1984-,女,湖南新化人,在读研究生,主要从事高分子材料研究。 摘 要:可生物降解智能水凝胶因其在生物医学领域 有着广泛的应用前景,因而已成为科研工作者研究的热点。详细介绍了可生物降解智能水凝胶的研究现状及其在药物释放体系中的应用,并预测了智能水凝胶可能的发展方向。 关键词:智能水凝胶;可生物降解;药物释放系统; 综述 中图分类号:O648;R313.08 文献标识码:A 文章编号:1001-9731(2007增刊-1895-04
1引言 水凝胶是指可被水溶胀的半固态交联聚合物网络。智能型水凝胶(intelligent hydrogels or smart hydrogels是一类对外界刺激能产生敏感响应的水凝胶。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。目前研究最多的是pH 敏感型和温度敏感型水凝胶[1~3]。智能水凝胶按其降解性能可分为可降解性智能水凝胶和不可降解性智能水凝胶。聚丙烯酰胺类、聚丙烯酸类、聚乙烯醇类等水凝胶主要是依赖双键的自由基反应形成以C —C 连接为主的交联网络,这种以C —C 连接的交联网络通常都是不可降解的。而可降解水凝胶能在机体生理环境下,通过水解、酶解,从高分子、大分子物质降解成对机体无损害的小分子物质,并且这些小分子降解产物通常是体内自身就存在的,如氨基酸、乳酸等,最后,通过机体的新陈代谢完全吸收和排泄,对机体无毒副作用。这类材料可用于控制药物在体内的释放,实现药物靶向输送,使药物在体内能够保持有效的浓度,减小或消除副作用,此外还可以避免免疫排斥以及二次手术等缺陷[4~6] ,因而在生物医学领域有 广泛的应用。 水凝胶的主要应用之一是用作药物释放材料。由于其在人体内使用,因此其必须具有良好的血液相容性和组织相容性。设计和研制一种集良好生物相容性、生物可降解性和智能型于一身的水凝胶药物释放材料,是一项极具挑战性的课题,对于推动药物控释材料研究的进程具有重要的意义。本文主要综述了可生物降解性智能水凝胶材料的研究现状及其在药物释放体系中的应用,并预测了智能水凝胶可能的发展方向。 目前研究最多的可生物降解智能水凝胶有壳聚糖类和PEG-PLGA 等嵌段共聚物类。 2壳聚糖类 壳聚糖是一个带有阳电荷的天然多糖,是甲壳素脱
功能材料的研究与进展报告 功能材料的研究与进展 报告题目：功能材料的研究进展 课程名称：先进功能材料 学院：材料与冶金学院 专业：材料物理 班级：xxx 学号：xxxx 学生姓名：xxxx 指导老师：xxx 随着经济的迅速发展，人们对材料的需求日益增加。为了满足这些现代技术对材料的需求，世界各国都非常重视功能材料的研究和开发。功能材料作为现代技术的标志，引起了各国的关注，已经成为材料科学中的一个分支学科，并在不同程度上推动或加速了各种现代技术的进一步发展。本篇综述简单介绍了功能材料的基本性能、特点和分类及其发展现状和发展趋势。 一、功能材料的基本性能 功能材料是以物理性能为主的工程材料的统称,即指在电、磁、声、光、热等方面具有特殊性质,或在其作用下表现出特殊功能的材料。 功能材料按其显示功能的过程可分为一次功能和二次功能。一次功能是当向材料输入的能量和从材料输出的能量属于同种形式时,
材料起能量传送部件作用,又称载体材料,主要有:(1)力学功能如惯性、粘性、流动性、润滑性、成型性、超塑性、高弹性、恒弹性、振动性和防震性;(2)声功能如吸音性、隔音性;(3)热功能如隔热性、传热性、吸热性和蓄热性;(4)电功能如导电性、超导性、绝缘性和电阻;(5)磁功能如软磁性、硬磁性、半硬磁性;(6)光功能如透光性、遮光性、反射光性、折射光性、吸收光性、偏振性、聚光性、分光性;(7)化学功能如催化作用、吸附作用、生物化学反应、酶反应、气体吸收;(8)其它功能如电磁波特性(常与隐身相联系)、放射性。 二次功能是当向材料输入的能量和输出的能量属于不同形式时,材料起能量转换部件作用,又称高次功能,主要有:(1)光能与其它形 式能量的转换,如光化反应、光致抗蚀、光合成反应、光分解反应、化学发光、感光反应、光致伸缩、光生伏特效应、光导电效应;(2) 电能与其它形式能量的转换,如电磁效应、电阻发热效应、热电效应、光电效应,场致发光效应、电光效应和电化学效应;(3)磁能与其它形式能量的转换,如热磁效应,磁冷冻效应、光磁效应和磁性转变;(4) 机械能与其它形式能量的转换,如压电效应、磁致伸缩、电致伸缩、光压效应、声光效应、光弹性效应、机械化学效应、形状记忆效应和热弹性效应。 二、功能材料的特征 功能材料是指具有优良的物理、化学和生物或其相互转化的功能，用于非承载目的的材料。迄今为止，功能材料尚无统一的和严格的定义。但一结构材料相比，有以下主要特征:
第 46 卷 第 11 期 2017 年 11 月 Vol.46 No.11Nov .2017 化工技术与开发 Technology & Development of Chemical Industry 功能性水凝胶的活性聚合与应用研究进展 梁 良1，张亚平2，周 瑜2，任 锦2 （1.九江学院分析测试中心，江西 九江 332005；2.九江学院药学与生命科学学院，江西 九江 332005）摘 要：功能性水凝胶能够针对不同环境的变化而做出响应，在生物医药、组织工程、环境保护等领域被广泛研究。活性聚合则拥有结构设计性强、反应控制灵活、产物均一性好的优势。本文主要介绍了目前功能性水凝胶活性聚合的研究进展和应用情况。 关键词：功能性水凝胶；活性聚合；应用 中图分类号：TQ 317 文献标识码：A 文章编号：1671-9905(2017)11-0030-03 基金项目：九江学院科研基金项目（No.8500353）和启动基金项目（No.8879415） 作者简介：梁良（1986-），男，硕士，实验师，研究方向：复合药物载体材料的合成通信联系人：任锦（1986-），女，博士，讲师，研究方向：载药体系的研究收稿日期：2017-08-07 水凝胶是一种含有大量亲水基团的三维网状高分子材料，能够吸收大量的水进行溶胀。水凝胶功能化后，面对外界环境敏感点的变化，如温度、pH 值、压力、磁力、溶剂极性等，能够实现凝胶-溶胶或者溶胀的形态变换，并在这一过程中完成设定的功能化目的。基于水凝胶良好的生物相容性与环境友好性，以及超强的分子可设计性，其在药物传输[1]、组织工程[2]、水环境保护[3]和催化剂载体[4]等领域拥有巨大的开发潜力和发展前景。 活性聚合因不存在链转移和链终止过程，使得反应过程能够被精确控制，同时链引发速率又大于链增长速率，使产物分子量分布集中，均一性非常好，因此，使用活性聚合可以让包含各种功能基团的水凝胶被精确制造出来，产物的高一致性也提升了其运用到工业生产的可能性。 1 活性聚合 1.1 原子转移自由基聚合 原子转移自由基聚合（Atom Transfer Radical Polymerization，ATRP）又称金属催化自由基聚合，是利用了金属催化剂具备发生可逆氧化还原反应的能力，使特定基团可以在活性种与休眠种之间自由转移，氧化-还原的往复循环实现链的增长。该法的特点在于聚合产物结构的可设计性很强，不仅能 够通过选用不同的聚合单体，还可以通过改变引发剂-卤代烷中烷烃部分的结构来设计所需要的水凝胶结构。盛维娟课题组[5]用2-溴代丙酸乙酯为引发剂，氯化亚铜为催化剂，通过ATRP 法将具有温度响应特性的甲基丙烯酸-2-(2-甲氧基乙氧基)乙酯和寡聚乙二醇甲醚甲基丙烯酸酯，以及N -羟甲基丙烯酰胺按比例共聚，再分别对共聚物进行叠氮化与炔基化处理，最后将二者交联得到温敏性水凝胶。周应学等[6]用2-溴异丁酰溴改性的α-环糊精与溴丙酰溴封端的F127水凝胶自组装形成聚准轮烷，并以此作为大分子引发剂，通过ATRP 法将聚乙二醇二丙烯酸酯和2-甲基丙烯酸羟乙酯进行共聚，由于引发剂中烷烃部分含有引入的改性α-环糊精与凝胶大分子结构，使得产物水凝胶不仅具有交联网络的超分子结构，还获得了良好的热敏性与力学强度。1.2 可逆加成-断裂链转移聚合 可逆加成-断裂链转移聚合（Reversible Addition-Fragmentation Transfer Polymerization, RAFT）实际上是在传统的自由基聚合反应中，加入了高链转移常数的链转移剂，使链转移成为一个快速而且可逆的过程，从而实现活性种与休眠种的可逆平衡，期间链转移相对链增长的反应时间可以忽略不计。这种活性聚合方法的优势是继承了传统自由基聚合的所有工艺和条件，拥有实现大规模工业