智能聚合物微球（SPM）作為一類具有環(huán)境響應(yīng)特性的先進(jìn)功能材料，近年來因其精準(zhǔn)的刺激響應(yīng)能力和可調(diào)控的物理化學(xué)性質(zhì)，在生物醫(yī)學(xué)、環(huán)境工程與智能材料領(lǐng)域展現(xiàn)出重要應(yīng)用潛力。通過溫度、光、pH、磁場等外界刺激觸發(fā)物理或化學(xué)性質(zhì)的轉(zhuǎn)變，從而實(shí)現(xiàn)功能的智能調(diào)控，賦予微球“按需響應(yīng)”特性，其應(yīng)用范圍從傳統(tǒng)的靶向藥物遞送可拓展至環(huán)境污染物清除、智能加密涂層、微納機(jī)器人制造等新興領(lǐng)域，成為多學(xué)科交叉創(chuàng)新的前沿載體（圖1）。
圖1.智能聚合物微球的制備、分類、響應(yīng)類型及其應(yīng)用
近日，哈爾濱工業(yè)大學(xué)冷勁松院士團(tuán)隊(duì)在《ACS Nano》期刊上發(fā)表了題為“Smart Polymer Microspheres: Preparation, Microstructures, Stimuli-Responsive Properties, and Applications”的綜述論文，哈爾濱工業(yè)大學(xué)博士研究生郭濤、羅蘭副研究員為本文的共同第一作者，哈爾濱工業(yè)大學(xué)張風(fēng)華研究員、冷勁松院士為本文的共同通訊作者。本綜述全面梳理了智能微球的“制備-結(jié)構(gòu)-響應(yīng)-應(yīng)用”全鏈條研究框架，詳細(xì)介紹了智能微球的物理法（乳化溶劑揮發(fā)法、微流控、靜電噴涂等技術(shù)）與化學(xué)法（乳液聚合、種子溶脹、沉淀聚合等技術(shù)）制備工藝，深入探討了不同工藝對微球尺寸、微觀結(jié)構(gòu)及表面功能的調(diào)控機(jī)理（圖2）。
圖2.聚合物微球的多種結(jié)構(gòu)
基于智能聚合物微球的刺激響應(yīng)多樣性，重點(diǎn)闡述了智能聚合物微球的響應(yīng)方式：物理（溫度、磁場、光、機(jī)械）刺激響應(yīng)智能聚合物微球、化學(xué)（Ph、離子）、生物（蛋白質(zhì)、酶、葡萄糖）及多重刺激響應(yīng)智能聚合物微球（圖3），分析了多重刺激協(xié)同響應(yīng)的復(fù)合型微球設(shè)計(jì)策略。
圖3.物理刺激響應(yīng)智能聚合物微球
智能聚合物微球以其獨(dú)特的刺激響應(yīng)特性，在多個領(lǐng)域展現(xiàn)出重要應(yīng)用價值。在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域中，通過調(diào)控微球結(jié)構(gòu)與響應(yīng)機(jī)制，可實(shí)現(xiàn)“病灶定位-按需釋藥-組織再生”功能一體化（圖4-5）；在環(huán)境污染治理中通過離子響應(yīng)可快速清除重金屬（圖6）；在信息加密領(lǐng)域開發(fā)光熱變色動態(tài)防偽技術(shù)；通過溫敏相變微球開發(fā)自修復(fù)防腐涂層（圖7），解決極端環(huán)境下材料老化問題。
圖4.智能聚合物微球在微納機(jī)器人領(lǐng)域中的應(yīng)用以實(shí)現(xiàn)在體內(nèi)的病灶定位
圖5.智能聚合物微球在組織工程領(lǐng)域中的應(yīng)用
圖6.智能聚合物微球在環(huán)境污染治理領(lǐng)域中的應(yīng)用
圖7.智能聚合物微球在智能涂層領(lǐng)域中的應(yīng)用
智能聚合物微球憑借其微觀結(jié)構(gòu)可編程性和環(huán)境響應(yīng)特性，為材料科學(xué)、生物醫(yī)學(xué)與人工智能的交叉帶來創(chuàng)新范式。然而，該技術(shù)體系仍面臨著如下挑戰(zhàn)：規(guī)；苽涞呐畏(wěn)定性、長期服役的生物相容性驗(yàn)證以及環(huán)境降解行為的精準(zhǔn)調(diào)控。研究前沿正不斷進(jìn)行著技術(shù)迭代：通過發(fā)展綠色合成工藝以降低有機(jī)溶劑依賴性，構(gòu)建閉環(huán)回收體系增強(qiáng)環(huán)境兼容性，以及引入仿生學(xué)原理構(gòu)建具有自我反饋功能的新一代智能微球系統(tǒng)。展望未來，智能微球不僅可通過表面功能化修飾實(shí)現(xiàn)了分子識別與信號轉(zhuǎn)導(dǎo)的智能化躍遷，推動精準(zhǔn)藥物遞送系統(tǒng)、仿生柔性傳感界面和微型能量存儲裝置等關(guān)鍵領(lǐng)域的技術(shù)突破，更可能通過跨尺度集成制造策略，推動材料體系完成從基礎(chǔ)研究到產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)化的跨越式發(fā)展。
該項(xiàng)研究成果獲得了國家自然科學(xué)基金的大力支持。
課題組簡介：
冷勁松院士團(tuán)隊(duì)長期從事于智能材料結(jié)構(gòu)及其應(yīng)用研究。在航天領(lǐng)域，研制了基于形狀記憶聚合物復(fù)合材料的可展開鉸鏈、桁架、重力梯度桿、天線、太陽能電池、離軌帆、鎖緊釋放機(jī)構(gòu)等智能結(jié)構(gòu) (Chem. Eng. J., 2025, 505, 159558; Compos. Part A-Appl. S.,2024, 190, 108595; Chem. Eng. J., 2024, 489, 150956; Chem. Eng. J., 2023, 457, 141282; Small, 2023, 2307244; Sci. China. Technol. Sc., 2020, 63, 1436–1451; Smart Mater. Struct., 2022, 31, 025021; Compos. Struct., 2022, 280, 114918; Compos. Struct., 2022, 290, 115513)，可應(yīng)用于各種衛(wèi)星平臺、空間站、探月工程、深空探測工程等。設(shè)計(jì)制備了構(gòu)型、力學(xué)性能可調(diào)節(jié)、可重構(gòu)的拉脹力學(xué)超材料和像素力學(xué)超材料 (Adv. Funct. Mater., 2024, 34, 2408887; Adv. Funct. Mater., 2023, 34, 2316181; Adv. Funct. Mater., 2022, 32, 2107795)。在生物領(lǐng)域，基于形狀記憶聚合物等智能材料開發(fā)了多種智能生物支架和人工假體 (Adv. Funct. Mater., 2024, 34, 2402592; Adv. Funct. Mater. 2023, 34, 2312036; Adv. Fiber Mater., 2023, 5, 632-649; Research, 2023, 6, 0234; Biomaterials, 2022, 291, 121886; ACS Appl. Mater. Interfaces, 2022, 14, 42568-42577)。冷勁松院士團(tuán)隊(duì)自主設(shè)計(jì)并研制的基于形狀記憶聚合物的中國國旗鎖緊展開機(jī)構(gòu)，于2021年5月在天問一號上成功展開，使我國成為世界上首個將基于形狀記憶聚合物復(fù)合材料的智能結(jié)構(gòu)應(yīng)用于深空探測工程的國家 (Smart Mater. Struct., 2022, 31, 115008.)。
鏈接地址：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsnano.5c00998
- 暫無相關(guān)新聞
