第三形态--光致型形状记忆高分子材料

简介

光致变形型高分子以光作激发源,是“外接触”感应方式,操作简单,可用于不适合热感应的场所。
光致型形状记忆高分子材料根据记忆机理的不同,分为光化学反应型和光热效应型两种。
光化学反应型(光照后发生化学反应)是将具有光化学反应活性的基团,如肉桂酸、偶氮苯等,引入高分子网络构筑记忆材料,利用光控的化学变化实现材料形状的赋形和回复。
光热效应型(光照后产生热)是在热致型形状记忆高分子中,加入光热转换材料,增强基体材料对光的吸收和热的传导, 间接地实现光致型的形状记忆行为。以下对光致型形状记忆高分子材料及其应用进行详细讨论。

光化学反应型

简介

光化学反应型是将具有光化学反应特性的官能团或分子作为“分子开关”引入聚合物网络,制备光致型形状记忆高分子材料。形状记忆高分子材料中的“分子开关”也叫可逆交联点,是在外界条件控制下能够实现“交联/解交联”的分子或基团。在光致型记忆材料中 , 通过外界光源控制“分子开关 ”的“交联/解交联”来实现材料形状的“记忆/回复”。Lendlein小组最早在这方面开展了相关研究工作,他们通过两种不同的方式将肉桂酸基团(CA) 引入高分子网络,制备了两种结构的光致型形状记忆高分子,并分别研究了其记忆行为。

原理

第一种是通过自由基共聚方法将CA接枝到丙烯酸酯类共聚物网络的侧链上,获得了接枝型结构的光致形状记忆高分子材料 。将该材料制成薄膜后,在外力作用下赋形,同时用波长大于260nm光在材料两边照射,两个CA分子生成二聚体,发生交联,形状被固定(赋形);当用波长小于260nm光照射时,CA二聚体结构被破坏,发生解交联,材料形状回复到初始状态(回复) 。

第二种是通过掺入的方法将四臂星型CA大分子单体(20 wt% )引入丙烯酸酯类共聚物的网络中 ,获得了半互穿网络型结构的光致形状记忆高分子材料 。当用波长大于260nm光在该材料的一边照射时,由于光的照射深度有限,被照射一侧的CA发生交联,导致该侧材料发生收缩,而未照射的一侧保持不变,使得整个材料发生卷曲;当用波长小于 260nm激光照射时,材料形状回复。

光热效应型

简介

光热效应型是将光致热材料引入高分子基体中,制备光致形状记忆高分子材料。这类材料本质上是热致型形状记忆材料,它通过体系中的光致热材料将吸收的光能转化成热能,热能再诱导高分子材料发生变形。
碳纳米颗粒(炭黑)具有很强的光热效应,研究者也用其构筑记忆材料。



原理

将光纤引入聚苯乙烯基体中构筑光致型形状记忆高分子。材料赋形后,用中红外激光照射,光纤将光能转化为热能,诱导材料发生形状的回复。中红外光对机体损害小,但穿透力强,使得光纤/聚苯乙烯复合材料可用于生物体内,如用于血管中血栓清除的医用材料等。

中红外激光诱导的形状记忆行为



应用

由于光致型形状记忆高分子材料的独特优势,使其在许多领域都有重要的应用价值,但目前该类材料的应用研究还处于探索阶段,相关研究工作报道较少。仅有研究者对其在生物医学领域的应用进行了初步模拟研究。Baer等用光致型形状记忆高分子制备了血管支架,并进行了体外模拟实验,考察其在模拟血管中的形状记忆行为。实验发现,当模拟血管中的液体不断流动时,由于热量损失,支架形状不能完全回复;当液体不流动时,光照6s后,即可实现快速回复。该体系可通过选择不同的制备条件,如基材类型、光敏材料的种类、材料的密度、材料的玻璃化温度等,来制备适用于不同场合下的支架材料。

各种形状的材料在光照下的自折叠行为



血管支架在模拟环境中的光致形状记忆行为

未来展望

光致型形状记忆高分子材料近年来逐渐受到研究者的广泛重视,但总的来说,该领域的研究还处于起步阶段。目前存在的主要问题是,材料的固定率 、回复率、回复速度还不是很高,这大大限制了其应用。随着社会的发展,人们对形状记忆高分子材料的性能提出了 更高的要求,如何在其力学性能和记忆精度上取得突破,如何制备具有更好的循环记忆性能的光致高分子材料,如何获得快速响应和更大回复应力的光致高分子材料等也是该领域亟待解决的关键问题 。此外,光致型形状记忆高分子的种类目前还很有限,还有待进一步拓展和深入研究。而且该类材料的变形机理以及制备条件和光照条件对变形的影响也有待深入研究。这些都是光致型形状记忆高分子材料未来的研究方向和发展趋势。该材料在智能控制系统、人工肌肉、低温变形、远程控释、生物医用材料、智能载药系统等领域具有重要的应用前景。但目前对其应用方面研究还处于初步探索阶段,今后对其应用方面的探索、研究,将是一个非常重要的研究方向 。

打回原形

傅,