Advances in Smart Materials: Stimuli-Responsive Hydrogel Thin Films ( 智能材料上的進步：刺激敏感性水凝膠薄膜 )

1. Advances in Smart Materials: Stimuli-Responsive Hydrogel Thin Films(智能材料上的進步：刺激敏感性水凝膠薄膜) Evan M. White, Jeremy Yatvin, Joe B. Grubbs III, Jenna A. Bilbrey, Jason Locklin 49940050黃意軒

2. 一、摘要 本文綜述了近期發展的刺激敏感性水凝膠領域，主要集中於薄膜，與100nm~10μm的厚度範圍內。理論和水凝膠溶脹動力進行檢討，其次是具體的應用。水凝膠是具有推動醫學和高分子科學領域的“智能”設備非常有用基板的潛力。

3. 二、簡介 　薄膜為今天商業用途中熟悉的產品，如油漆，著色劑，表面清潔劑，反射鏡，以及電鍍的金屬等等。在有機薄膜的最新進展可能有助於提高性能和減少各種現有技術，包括光電，傳感器，膜技術和藥物輸送系統的未來的生產成本。在此，我們分類敏感反應的凝膠，概述水凝膠一般理論，其次是這些材料的各種刺激如何應對的討論：機械，化學，pH值，熱和光。

4. 三、實驗原理（一）溶脹理論 水凝膠是通過化學或物理膨脹後加入水交聯的聚合物的三維網。 溶脹體積與聚合物基質體積的比值稱為“溶脹度”，用於描述水凝膠的共同參數。例如：聚丙烯酸水凝膠的溶脹度，可以是高達20,000，這表明了體積膨脹大於4個數量級。溶脹程度是依賴於聚合物組合物和體系結構，以及固有的性質的水溶液，如溫度或離子強度。

5. (二)平衡溶脹理論 從聚合物 - 溶劑的混合熵變是正的，有利於溶脹，而從鏈的熵變拉伸（減少可能構象的數目）為負，不利於溶脹。凝膠組合物的混合焓，既可以是正的（相對的混合），負極（有利於混合），或零。 凝膠的溶脹是在聚合物鏈與聚合物溶劑混合的膨脹，熱力學上的彈性回縮力函數。因此，在不存在帶電物質的中性水凝膠的自由能可以表示為：

6. 其中ΔG 是彈性回縮力的自由能和ΔGmix是聚合物溶劑的混合自由能。其中ΔG 是彈性回縮力的自由能和ΔGmix是聚合物溶劑的混合自由能。 在平衡條件下，淨化學勢（μ）必須等於零：

7. (三)水凝膠的網目計算 尺寸由相關長度（ξ）被定義為兩個相鄰的交聯鍵之間，並計算如下： 其中α是在任何方向上的聚合物鏈的伸長率和 的根均方，未擾動的端至端的距離之間的交聯聚合物鏈。對於凝膠溶脹到各向同性平衡，伸長率率可以與溶脹聚合物的體積分數，ν 2 、s為：

8. 其中α是在任何方向上的聚合物鏈的伸長率和是根均方，未擾動的端至端的距離之間的交聯聚合物鏈。[17，37]對於凝膠溶脹到各向同性平衡，伸長率率可以與溶脹聚合物的體積分數，ν2，S，方法是：其中α是在任何方向上的聚合物鏈的伸長率和是根均方，未擾動的端至端的距離之間的交聯聚合物鏈。[17，37]對於凝膠溶脹到各向同性平衡，伸長率率可以與溶脹聚合物的體積分數，ν2，S，方法是： 終端到終端的距離，在無擾狀態的兩個相鄰交聯點之間的網絡鏈可以由弗洛特徵比率，確定CN。 各向同性溶脹的水凝膠的端至端的距離和孔的大小可以計算出： 因此網目尺寸，是由無數的條件和結構性因素的影響。

9. 許多離子型水凝膠表現出一階體積相變的地方溶脹程度可以在條件或應用程序中的刺激。許多離子型水凝膠表現出一階體積相變的地方溶脹程度可以在條件或應用程序中的刺激。

10. (四) CHEMO-RESPONSIVE GELS 可生物降解的水凝膠具有可調剛度，用於控制擴散的速率和人類間充質細胞的分化。水凝膠組成通過氧化偶合形成明膠-羥基苯基丙酸的結合物。經證實，該凝膠剛度進行了調整，通過改變過氧化矩陣中氫的濃度，而不改變前體聚合物。作為凝膠的硬度增加，細胞增殖減少。水凝膠的降解進行中的膠原酶，基質金屬蛋白酶族的存在下進行。雖然剛性減緩細胞的增殖，仍然降解具有增加的剛性水凝膠。 ←(a)光學圖像顯示出了褶皺的顯著遠距離均勻沿折縫的長度，以及(b)三維AFM折疊的圖像。(c)跨沿著折疊結構顯示出了折疊區域，中間區域和基板接枝層的三個離散的高度部分。

11. (五)pH-RESPONSIVE GELS 驅動高效轉導途徑刺激響應性聚合物系統使它們能適合於傳感器的應用。對pH敏感的水凝膠會影響其體積，彈性和質量通過稍微改變的pH值會有急劇變化。這些類型的水凝膠可以在很寬的範圍內被使用應用，包括傳感器和致動器。 多孔凝膠薄膜使用幾種技術來製造，其中最常見的聯網的弱陽離子聚電解質P2VP通過用1交聯， 4 -二碘丁烷（DIB）。使聚合物網格產生平滑，均勻的薄膜旋塗後的基板進行熱退火，以蒸發未反應的DIB，留下的多孔膜。一旦孔徑達到受控尺寸，膜便會被暴露在各種pH條件下。通過改變基質的pH值，以減少孔隙尺寸。近2 pH值倒塌毛孔，而到3增加了pH值打開毛孔，這使得擴散通過膜。應當指出的是，即使小孔在pH 2閉合時，該膜表現出輕微的透氣性。

12. 生物相容性水凝膠的多孔膜是通過聚乙烯醇的相分離和鈉-海藻酸鈉開發的。 pH反應性膜，製備了一種離子交聯的水凝膠薄膜具有可控孔徑和一個孔徑分佈。藻酸鹽基質與二價鈣離子的交聯後，水凝膠膜pH值的變化，造成孔的打開和關閉。生物相容性水凝膠的多孔膜是通過聚乙烯醇的相分離和鈉-海藻酸鈉開發的。 pH反應性膜，製備了一種離子交聯的水凝膠薄膜具有可控孔徑和一個孔徑分佈。藻酸鹽基質與二價鈣離子的交聯後，水凝膠膜pH值的變化，造成孔的打開和關閉。 ←高分子電解質膜的單孔的示意圖開關閉合（a）和開放（B）狀態之間。海藻酸鹽水凝膠由結構D-甘露糖醛酸和古洛糖醛酸殘基的交聯與二價離子（鈣2 +在（d）部分），得到一個雞蛋紙箱構象（三）。該水凝膠的溶脹和收縮是由於未結合的羧基，在pH> 5和pH <4，分別電離（a）和質子（b）所示。

13. 水凝膠組成的多層聚（甲基丙烯酸）（PMAA），膠囊劑，從氫鍵PMAA/poly-製備的N-乙烯基吡咯烷酮（PMAA / PVPON）通過交聯前體與乙二胺（EDA），可以用於合成水凝膠內殼的金奈米顆粒。在環境條件下的硼酸鹽溶液具有pH依賴性的特性而不需要事先處理或添加緩沖劑。金奈米顆粒的尺寸是通過胺基團通過交聯鍵的pH控制，在不影響膜的完整性。在pH為7時，水凝膠表現出的折疊圖案坍塌均勻地乾燥。並且更堅固的水凝膠壁的膠囊形態變化顯著。 ←AFM圖像（左高;右相）在EDA-PMAA空心膠囊（a）與金奈米粒子在pH值為10（b）中，pH值5減少硼酸鹽緩衝液，pH值3（D） 。掃描尺寸為5μm，規模為400nm的所有圖像。

14. (六)光刺激 光的空間、波長和強度參數可以迅速地變化，使光成為最可控的刺激中的一個。研究採取這種獨特控制的優勢，綜合使用由光照射帶來的精細空間和時間分辨率的凝膠。在水凝膠的情況下，光最經常被用來誘導的交聯，這可以用來通過海沃德以產生新的結果。在反應方面，光可刺激多種有用的反應，如交聯的斷裂，衍射轉移中的分析物，生物分子和奈米粒子吸收的存在和釋放，以及離子檢測。 以高空間分辨率的光在聚N-異丙基丙烯醯胺-微觀表面圖案​​與薄膜N,N-亞甲基雙（丙烯醯胺）作為交聯劑。酸化在黑暗中凝膠能誘導開環成質子化部花菁異構體。用436 nm的光激發酸化凝膠後，micromotifs可以減少溶脹造成的花青輻照域的閉環疏水螺吡喃異構體。根據不同的照射時間，圖案形成於高度的變化範圍可達到130微米。3個小時在黑暗後完全消退，而一個新的可在相同的凝膠進行安裝。

15. （a和b）的pSPNIPAAm水凝膠層只是微圖案化的光照射後的圖像。（a和b）的pSPNIPAAm水凝膠層只是微圖案化的光照射後的圖像。 照射時間為（•紅色）0秒，（◊）1秒，（○，綠）3秒。 水凝膠層(3)第2未照射和（O）照射區域為3-S藍光照射後時間的函數高度變化。

16. 四、水凝膠的未來發展 從水凝膠製成的多孔膜未來的進步有一天可能會提供精確的選擇性分子。光子水凝膠可以提供一個支架的柔性，液體狀彩色顯示器的開發。水凝膠材料敏感受控，溶膠─凝膠轉變可使用於先進的可生物降解的產品在商業上應用。 從水凝膠構建未來的電力無生物分子傳感器可能會為乾燥狀態的設備，可以用加水激活。水凝膠有底物的功能，能刺激反應設備，以及許多這些設備多的應用將發展成為該技術的智能化，刺激響應材料提高。

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