Polyme và Gel Đáp Ứng Kích Thích

Polyme đáp ứng kích thích trải qua những thay đổi lớn, thường là đột ngột về độ hòa tan, trương nở hoặc hình dạng để phản ứng với nhiệt độ, độ pH, ánh sáng hoặc các yếu tố kích hoạt khác, và khi ở dạng gel liên kết chéo, chúng trương nở và co lại để hoạt động như vật liệu thông minh, có khả năng truyền động.

Definition

Polyme đáp ứng kích thích là các polyme có trạng thái vật lý—độ hòa tan, cấu hình, điện tích hoặc sự trương nở—thay đổi mạnh mẽ để phản ứng với một kích thích môi trường, và gel đáp ứng là mạng lưới liên kết chéo của các polyme như vậy, trương nở hoặc co lại khi kích thích thay đổi.

Scope

Chủ đề này bao gồm các polyme và hydrogel được thiết kế để phản ứng với các kích thích bên ngoài: polyme nhạy nhiệt với nhiệt độ dung dịch tới hạn dưới như poly(N-isopropylacrylamide), các chất điện phân nhạy pH, và các hệ thống nhạy sáng hoặc nhạy oxy hóa-khử. Nó bao gồm nhiệt động lực học trương nở của gel liên kết chéo, chuyển pha thể tích và thiết kế phân tử chuyển đổi sự thay đổi môi trường thành phản ứng cơ học hoặc độ hòa tan.

Core questions

• Những đặc điểm phân tử nào làm cho polyme phản ứng với nhiệt độ, độ pH hoặc ánh sáng?
• Tại sao một số polyme kết tủa khi đun nóng ở nhiệt độ dung dịch tới hạn dưới?
• Một gel liên kết chéo trương nở và trải qua các chuyển pha thể tích như thế nào?
• Những phản ứng này được khai thác như thế nào để truyền động và phân phối?

Key theories

Hành vi nhiệt độ dung dịch tới hạn dưới

Một số polyme hòa tan khi lạnh nhưng tách pha khi đun nóng vì entropy liên quan đến hydrat hóa ưu tiên sự tách pha trên một nhiệt độ tới hạn, tạo ra sự chuyển đổi cuộn-cầu sắc nét, có thể đảo ngược được khai thác trong các vật liệu nhạy nhiệt.

Sự trương nở của gel và chuyển pha thể tích

Một mạng lưới liên kết chéo trương nở cho đến khi lực đẩy thẩm thấu để trộn với dung môi cân bằng với sự co rút đàn hồi của các chuỗi; việc thay đổi kích thích làm dịch chuyển sự cân bằng này và có thể tạo ra sự thay đổi thể tích gel không liên tục, lớn.

Mechanisms

Hành vi đáp ứng phát sinh từ các nhóm mà sự tương tác của chúng với dung môi phụ thuộc vào điều kiện. Trong các polyme nhạy nhiệt, sự cân bằng giữa liên kết hydro polyme-nước và entropy hydrat hóa thay đổi theo nhiệt độ, do đó chuỗi co lại và polyme tách pha trên nhiệt độ dung dịch tới hạn dưới của nó. Trong các chất điện phân nhạy pH, sự proton hóa hoặc khử proton làm thay đổi điện tích, thay đổi lực đẩy tĩnh điện và độ hòa tan. Trong một gel liên kết chéo, những thay đổi độ hòa tan này trở thành thay đổi thể tích: mạng lưới trương nở khi sự trộn lẫn thuận lợi và co lại khi không thuận lợi, đôi khi không liên tục tại một chuyển pha thể tích, chuyển đổi tín hiệu hóa học hoặc nhiệt thành chuyển động cơ học.

Clinical relevance

Polyme và gel đáp ứng kích thích cho phép tạo ra các vật liệu thông minh: các chất mang thuốc được kích hoạt bằng nhiệt độ hoặc pH giải phóng tải trọng của chúng trong môi trường mục tiêu, hydrogel đáp ứng đóng vai trò là bộ truyền động mềm, van và cảm biến, và các bề mặt có thể chuyển đổi kiểm soát sự bám dính của protein và tế bào trong các ứng dụng y sinh và tách chiết. Độ sắc nét và khả năng đảo ngược của phản ứng là trọng tâm đối với tính hữu dụng của chúng.

History

Flory đã đặt nền tảng nhiệt động lực học cho sự trương nở của gel, và sự chứng minh của Tanaka về các chuyển pha thể tích không liên tục trong gel vào cuối những năm 1970 đã mở ra lĩnh vực gel đáp ứng; các polyme nhạy nhiệt như poly(N-isopropylacrylamide) và các hệ thống nhạy pH sau đó đã được phát triển cho các ứng dụng y sinh và vật liệu thông minh.

Key figures

• Toyoichi Tanaka
• Allan Hoffman
• Pierre-Gilles de Gennes

Seminal works

• rubinstein2003
• flory1953

Frequently asked questions

Tại sao một số polyme hòa tan khi lạnh nhưng kết tủa khi đun nóng?

Những polyme này có nhiệt độ dung dịch tới hạn dưới: ở nhiệt độ thấp, liên kết hydro thuận lợi với nước giữ chúng hòa tan, nhưng khi đun nóng, entropy của việc giải phóng các phân tử nước có trật tự ưu tiên sự tách pha, do đó các chuỗi co lại và tách pha.

Điều gì làm cho hydrogel trương nở hoặc co lại?

Sự trương nở phản ánh sự cân bằng giữa xu hướng thẩm thấu của mạng lưới để trộn với dung môi và sức cản đàn hồi của các chuỗi liên kết chéo của nó. Một kích thích làm thay đổi sự cân bằng đó—nhiệt độ, độ pH hoặc cường độ ion—làm cho gel hấp thụ hoặc đẩy dung môi ra, đôi khi đột ngột.