智能材料可以通過自主改變其結(jié)構(gòu)、特性和功能來迅速響應(yīng)周圍環(huán)境的變化，近年來受到了研究者越來越多的關(guān)注。聚（N-異丙基丙烯酰胺）（PNIPAM）是一種具有低臨界溶解溫度（LCST）的溫敏性聚合物。
基于它制備的PNIPAM基水凝膠的體積、透光度及親水性等具有溫度可調(diào)性，是一種廣泛使用的刺激響應(yīng)性智能材料，在智能驅(qū)動、光學(xué)、生物醫(yī)藥等領(lǐng)域具有重要的應(yīng)用價值（圖1）。
近期，天津大學(xué)材料學(xué)院封偉教授團(tuán)隊全面綜述了PNIPAM基智能水凝膠在智能驅(qū)動器、光子晶體、智能窗戶、藥物輸送及組織工程等領(lǐng)域的相關(guān)研究，以《Poly(N-isopropylacrylamide)-based Smart Hydrogels: Design, Properties and Applications》為題發(fā)表在Progress in Materials Science雜志上（DOI: 10.1016/j.pmatsci.2020.100702）。內(nèi)容主要包括以下幾部分：
1.PNIPAM基水凝膠智能驅(qū)動器
當(dāng)環(huán)境的溫度在LCST特征溫度附近變化時，PNIPAM基水凝膠可以吸水溶脹和脫水收縮，從而發(fā)生明顯的體積變化。當(dāng)體系具有不均勻的溶脹與收縮時，PNIPAM基智能水凝膠可以產(chǎn)生宏觀的彎曲、折疊、扭曲等形變。目前，利用PNIPAM基水凝膠制備的智能驅(qū)動器可以分為以下幾大類：雙層結(jié)構(gòu)，梯度結(jié)構(gòu)，圖案化結(jié)構(gòu)及局部刺激等（圖2）。
1.1.雙層結(jié)構(gòu)
雙層PNIPAM基水凝膠驅(qū)動器的一層為PNIPAM基水凝膠，另一層可以為水凝膠材料，也可為非凝膠材料。
在溫度刺激下，兩層之間的膨脹/收縮性不同，導(dǎo)致一層的膨脹/收縮會受到另一層的約束。因此，其中一層材料會受到拉伸力，而另一層會受到壓縮力，雙層材料會通過彎曲等運(yùn)動來釋放內(nèi)應(yīng)力。
目前，PAAm,PCL,TPU,PDMS等材料均可以與PNIPAM基水凝膠構(gòu)建雙層結(jié)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)彎曲形變。除此之外，通過加入其它功能性材料（如熒光材料），在實(shí)現(xiàn)彎曲形變的同時還可以獲得顏色變化和形狀記憶等功能。
1.2.梯度結(jié)構(gòu)
在單層的PNIPAM基智能水凝膠中構(gòu)建具有梯度分布的聚合物鏈、交聯(lián)密度、填充物或孔隙，也可以實(shí)現(xiàn)不均勻的溶脹與收縮，從而引起形狀變化。
如圖3所示，利用光在材料中有限的穿透能力及物質(zhì)在電場、磁場、沉淀、離心和自然滲透過程中的運(yùn)動，可以在單層PNIPAM基水凝膠中構(gòu)建這類梯度結(jié)構(gòu)。
1.3.圖案化結(jié)構(gòu)
在自然界中，植物纖維器官通常由在基質(zhì)中形成圖案的細(xì)長纖維構(gòu)成；當(dāng)環(huán)境濕度變化時，基質(zhì)和纖維之間的膨脹差異性將導(dǎo)致植物器官發(fā)生形狀變化。
受到這一結(jié)構(gòu)的啟發(fā)，研究者在單層PNIPAM基水凝膠面內(nèi)構(gòu)建了具有不同化學(xué)結(jié)構(gòu)的區(qū)域。當(dāng)溫度變化時，這些具有不同結(jié)構(gòu)的區(qū)域在面內(nèi)會產(chǎn)生非均勻的溶脹與收縮，從而引發(fā)形變。
1.4.局部刺激
對于具有均勻結(jié)構(gòu)的PNIPAM基水凝膠，施加不均勻的外部刺激也可以實(shí)現(xiàn)不均勻的溶脹與收縮。
由于這種不均勻的溶脹與收縮主要依賴于外部刺激的施加的方式，理論上，通過改變外部刺激模式可以使同一個樣品發(fā)生無數(shù)次不同的形變。
2.PNIPAM基水凝膠的光學(xué)應(yīng)用
光學(xué)材料可以利用吸收、散射、反射、干涉等物理現(xiàn)象來操縱光，從而顯示出獨(dú)特的光學(xué)特性。
在溫度刺激下，PNIPAM基水凝膠會發(fā)生體積與透光性的變化，使其在光子晶體、智能窗戶等領(lǐng)域具有重要的應(yīng)用潛力。
2.1.刺激響應(yīng)性光子晶體
如圖4 所示，PNIPAM基水凝膠可以構(gòu)建膠體晶體、反蛋白石結(jié)構(gòu)、布拉格堆積結(jié)構(gòu)及標(biāo)準(zhǔn)具等光子晶體結(jié)構(gòu)。在溫度刺激下，PNIPAM基水凝膠會發(fā)生溶脹及收縮，會改變光子晶體的周期排列，導(dǎo)致光子晶體的光子帶隙與顏色的變化。
2.2.智能窗戶
當(dāng)溫度在LCST特征溫度附近變化時，PNIPAM基水凝膠的透光性會發(fā)生變化。利用這一特性制備的PNIPAM基水凝膠智能窗戶，能夠調(diào)控光的透過率，實(shí)現(xiàn)對太陽能的調(diào)制。如圖5所示，將光熱材料結(jié)合到PNIPAM水凝膠中可以制備適應(yīng)氣候變化的智能窗戶，該窗戶可以主動阻擋強(qiáng)烈的陽光。
3.PNIPAM基水凝膠在生物醫(yī)藥領(lǐng)域的應(yīng)用
由于PNIPAM基水凝膠的LCST接近人體體溫，因此從生理學(xué)角度來看，它在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用具有強(qiáng)大的吸引力。另外，PNIPAM基智能水凝膠還具有較高的含水量、可變形性以及與其他聚合物共聚、促進(jìn)細(xì)胞生長的能力，也促進(jìn)了其在藥物輸送和組織工程領(lǐng)域的應(yīng)用。
3.1.藥物輸送
在高于LCST的溫度下，PNIPAM聚合物鏈中異丙基之間的分子內(nèi)和分子間疏水作用可以實(shí)現(xiàn)PNIPAM的熱誘導(dǎo)物理交聯(lián)，從而制備可注射性水凝膠藥物載體。如圖6所示，通過與可降解的組分進(jìn)行共聚，能夠?qū)崿F(xiàn)PNIPAM基水凝膠的降解，促進(jìn)藥物的釋放。
3.2.組織工程
在組織工程領(lǐng)域，PNIPAM基水凝膠既可以作為細(xì)胞支架使用，也可以用于細(xì)胞薄片技術(shù)。在作為細(xì)胞支架使用時，一般需要對其進(jìn)行修飾，獲得生物相容性及降解性；在制備細(xì)胞薄片時,利用溫度變化時PNIPAM基水凝膠的親疏水性變化可以實(shí)現(xiàn)細(xì)胞薄片的吸附與脫出。
4.結(jié)論與展望
PNIPAM基智能水凝膠在眾多領(lǐng)域已經(jīng)展現(xiàn)出了極大的應(yīng)用前景，但是為了實(shí)現(xiàn)其商業(yè)應(yīng)用，在響應(yīng)速度、機(jī)械強(qiáng)度、精確定位等方面還需要進(jìn)一步的提升。此外，結(jié)合仿生技術(shù)，有望制備具有新型結(jié)構(gòu)的PNIPAM基智能水凝膠，全面實(shí)現(xiàn)智能仿生；除此之外，通過多功能的復(fù)合，也可以進(jìn)一步推動其在眾多領(lǐng)域的應(yīng)用。
