打开网易新闻 查看更多图片

高分子水凝胶是一类同时兼具固体和液体双重性质的柔性材料。基于丰富的结构调控和功能可设计性,新型多功能高分子水凝胶材料经历了从基础支撑到前沿颠覆的跨越式发展,解决了新型柔性材料领域诸多问题,呈现出新时代发展特征。新一代多功能高分子水凝胶柔性材料的不断创新正在挑战并推动传统材料在生物医学、柔性电子、探测检测、环境保护等领域的变革,成为支撑这些领域高质量发展的核心基础材料之一。

基于高分子水凝胶的丰富结构、功能调控及多元化设计,新型柔性材料领域中面临的诸多科学技术问题正在逐步解决,为创制高性能柔性材料,如自愈合水凝胶、发光水凝胶、高强度水凝胶、纳米复合水凝胶等,提供了创新设计思路和方法。并且随着分子水平设计和多尺度结构调控策略的发展,水凝胶材料的物理化学性能显著提高,极大拓展了应用领域。具有高力学性能、自愈合性能、优异的生物活性,以及对电、磁、光、热、力等响应的多功能、高性能水凝胶材料的设计和性能调控帮助了柔性水凝胶材料的进步。

自愈合水凝胶

自愈合水凝胶是典型的一类新型生物医用水凝胶智能材料,其自我修复功能避免了传统水凝胶在遭受外力破坏后对结构完整性和功能性的影响。近十年间,自愈合水凝胶材料在分子设计、理论建模及研究方法等方面已经取得了长足的进展,已经设计出的自愈合可注射水凝胶有效弥补了传统可注射水凝胶“前驱体+细胞悬浮液→注射→原位成胶”方式导致的生物毒性和细胞成活率等不足,在组织工程和生物医学领域中拥有广阔的前景。

▲基于动态建构化学原理的自愈合水凝胶愈合过程机理示意图

发光水凝胶

发光水凝胶因其原位实时监测功能进一步推动了水凝胶在生物传感、生物成像和生物检测等医学领域中的应用潜力。主要分为两种,一种是无需掺杂其他发光物质,只需引入发光基团,来合成自身具有发光性能的高分子链的自发光高分子水凝胶和另一种需将一些发光材料(如过渡金属配合物、量子点、镧系金属元素等)掺杂进水凝胶的三维网络中的复合发光水凝胶。后者可最大化保持发光材料的发光性能,具有广阔的医学应用前景。

打开网易新闻 查看更多图片

▲羧甲基纤维素发光自愈合水凝胶的制备机理示意图和水凝胶的照片

高强度水凝胶

高强度水凝胶在三维网络中具有供高分子链穿梭的环状“8字”形滑动交联结构,故在施加外力时可有效分散应力,具有优异的机械性能。将多功能水凝胶与高强度的设计思路相结合,为高强度水凝胶功能化研究和应用提供了广阔的发展前景。本书中就提供了基于天然、可降解大分子的高强度水凝胶体系、不同种类高分子匹配的高强度水凝胶体系、智能高强度水凝胶体系以及高强度自愈合水凝胶体系的拓展方向。

▲Al-alginate/PNIPAM(0.03-0.3)水凝胶

纳米复合水凝胶

纳米复合水凝胶是一种柔性有机无机两相复合材料,不但具有纳米粒子自身原有的特性,还可通过调节纳米粒子的种类、尺寸、晶体结构、含量等调控水凝胶纳米复合材料的物理化学性能,充分发挥两者之间的协同增益效果。根据其尺寸,可分为体相复合水凝胶和微纳复合水凝胶。体相复合水凝胶具有宏观尺寸,可广泛应用于柔性机器人、智能响应制动器等领域。微纳复合水凝胶在空间狭小的环境中工作,可以更快响应外界环境的刺激,在微型机器人、微流控、体内药物输送、靶向医疗等方面展现出多元化功能优势。

▲水凝胶中原位合成磁性纳米粒子的过程和样品照片

水凝胶细胞支架

细胞在生命科学、药学、组织工程、基础医学及细胞治疗等领域的意义都十分重大,研究其与生物支架材料相互作用有助于阐明环境对细胞性能的影响机理。高分子水凝胶具有的三维网络结构类似于细胞外基质,可避免外界微小的物理或化学刺激,为细胞提供较为理想的生存空间。同时有研究表明,化学结构明确、性能易于调控的合成高分子水凝胶是研究细胞与生物材料之间相互作用机理的理想模型材料。本书中设计优化了应用于体外细胞培养的合成高分子水凝胶材料;建立了无生物活性物质修饰的合成高分子水凝胶细胞活性支架培养体系;揭示了其物理化学性能与细胞功能之间的相互作用机制,并进一步研究调控细胞增殖行为、动态运动行为和细胞功能。

近十几年来,我国科研工作者在高分子水凝胶领域的基础研究与应用不断创新。随着科学技术的发展,从事该领域研究的科技工作者迫切需要一本介绍其基本概念、基础理论、实验技术、应用前景以及学科发展和最新研究成果相关内容的书籍作为参考。因此,著者撰写了《高分子水凝胶——从结构设计到功能调控》,重点介绍多种性能和功能整合、协同作用的新型高分子水凝胶材料研究思路,突出结构与功能调控间的关系,充实了高分子水凝胶材料的基本概念、结构功能作用原理、实验技术以及研究进展和发展趋势等方面的知识体系,也展现了著者研究成果的积累和体会及高分子水凝胶研究中呈现的多学科、多领域交叉的研究发展趋势。

内容介绍

本书共六章,介绍设计制备新型多功能、高性能柔性水凝胶材料及其多种性能和功能的整合及协同作用的相关知识,涉及自愈合水凝胶、发光水凝胶、高强度水凝胶、纳米复合水凝胶、水凝胶细胞支架等,对多功能响应水凝胶的分子结构调控和功能结构设计具有重要的指导意义。本书适合高分子水凝胶及相关领域的研发人员,以及高分子化学、生物医学、 生物材料、柔性电子等专业的高年级本科生、研究生及相关科技人员阅读,也可用于相关专业的教学参考。

打开网易新闻 查看更多图片
打开网易新闻 查看更多图片

目录速览

作者简介

陈咏梅,二级教授、博士生导师。2004年博士毕业于日本北海道大学(师从国际著名凝胶专家 Osada Yoshihito 教授和 Jian Ping Gong教授),先后在北海道大学任特任助手、特任副教授。2008年9月回国,任西安交通大学教授、博士生导师,组建了多功能水凝胶研究团队,是国内最早开展水凝胶研究的团队之一。2018年6月起受聘于陕西科技大学,任特聘教授,领衔组建“轻工+”绿色柔性多功能材料创新团队。先后承担国家重点研发计划“政府间国际科技创新合作”重点专项等项目。发表论文70余篇,授权国际发明专利20件。曾入选英国皇家化学会综合化学领域“Top1% 高被引中国作者”榜单,获陕西省科学技术奖二等奖和陕西高等学校科学技术奖一等奖等奖项。

(本文编辑:王芳)

科学出版社视频号

硬核有料 视听科学