形狀記憶水凝膠的發(fā)展推進(jìn)了水凝膠材料在現(xiàn)有應(yīng)用中的新功能。例如，將水凝膠與生物活性分子相結(jié)合用于可控傳輸，可以擴(kuò)散錨定至指定位置。在宏觀或微觀尺寸下形狀記憶水凝膠的空間定向運(yùn)動(dòng)可用于填充敏感化合物之后的密封，即在植入前使用體外形狀恢復(fù)。此外，在分子水平上，當(dāng)形狀記憶水凝膠的臨時(shí)交聯(lián)斷開時(shí)，轉(zhuǎn)換網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)或形態(tài)可以使得藥物快速加載到指定位置。因此，隨著形狀恢復(fù)時(shí)交聯(lián)的解離，使得釋放速率增強(qiáng)，以及隨后重復(fù)施加刺激直至負(fù)載物耗盡。在一些情況下，用作臨時(shí)交聯(lián)的離子從水凝膠中釋放時(shí)可以獲得額外的有益生物效應(yīng)。由丙烯腈，丙烯酸和交聯(lián)劑N,N'-雙(丙稀酰)胱胺制備得到離子敏感形狀記憶水凝膠，可以從平面形狀轉(zhuǎn)換成立體型。該水凝膠闡明了定位對(duì)人骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞(hMSCs)向成脂或成骨細(xì)胞擴(kuò)散和分化的作用，這可能是由于微重力對(duì)細(xì)胞骨架組織的影響(圖7)。

圖7 形狀記憶水凝膠立方體及其hMSCs染色后的熒光顯微照片

形狀記憶水凝膠進(jìn)一步在智能執(zhí)行器技術(shù)領(lǐng)域的應(yīng)用是未來的目標(biāo)，如人工肌肉，軟體機(jī)器人或微型水中機(jī)器(圖8)。特別值得注意的是，由水凝膠制備的軟體機(jī)器人與基于剛性材料(如鋼)的傳統(tǒng)機(jī)器人相比，軟體機(jī)器人適合在自然環(huán)境中應(yīng)用，避免對(duì)環(huán)境的機(jī)械破壞。為了實(shí)現(xiàn)形狀記憶水凝膠在這些領(lǐng)域的應(yīng)用，需要對(duì)轉(zhuǎn)換動(dòng)力學(xué)，產(chǎn)生的轉(zhuǎn)換力和轉(zhuǎn)換的可逆性進(jìn)行進(jìn)一步的探討和研究。

圖8 形狀記憶水凝膠未來應(yīng)用的愿景

【總結(jié)】

該綜述說明了在疏水性形狀記憶聚合物中實(shí)現(xiàn)形狀變換的一些結(jié)構(gòu)原理也可以應(yīng)用于水凝膠。重要的是，可以通過使用相分離的低聚側(cè)鏈作為分子開關(guān)或使用具有多孔內(nèi)部結(jié)構(gòu)的水凝膠來解決諸如在轉(zhuǎn)換時(shí)保持樣品體積的難題。除了用于形狀記憶聚合物的經(jīng)典刺激如熱刺激之外，水凝膠能夠使用其他的一些刺激，包括pH，光，離子和可以在富含水的聚合物網(wǎng)絡(luò)中擴(kuò)散以與臨時(shí)交聯(lián)相互作用并誘導(dǎo)雙重或三重效應(yīng)的其它組分。生物聚合物或雜化/多孔系統(tǒng)具備更復(fù)雜的結(jié)構(gòu)，其中成形結(jié)構(gòu)的定制是材料功能的關(guān)鍵。可以預(yù)期的是，諸如啟動(dòng)切換過程的各種刺激的最新進(jìn)展將被轉(zhuǎn)移到更復(fù)雜的系統(tǒng)，以便增強(qiáng)功能性并且滿足從醫(yī)學(xué)到智能技術(shù)致動(dòng)器未來應(yīng)用的需求。