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PNIPAM基水凝胶的机械性能综述

作者与发表信息
本文由Muhammad Abdul Haq、Yunlan Su和Dujin Wang共同撰写，三位作者分别来自中国科学院化学研究所工程塑料重点实验室和巴基斯坦卡拉奇大学食品科学与技术系。该论文于2017年发表在《Materials Science and Engineering C》期刊上，DOI为10.1016/j.msec.2016.09.081。

论文主题
本文综述了基于聚(N-异丙基丙烯酰胺)（PNIPAM）的水凝胶的机械性能及其改进策略。PNIPAM是一种热响应性聚合物，其相变温度接近人体温度，因此在生物医学、软机器人、药物递送等领域具有广泛应用前景。然而，PNIPAM水凝胶的机械性能较差，限制了其实际应用。本文详细讨论了多种改进PNIPAM水凝胶机械性能的策略，并总结了这些改进水凝胶的应用。

主要观点与论据

1. PNIPAM水凝胶的机械性能及其局限性
   PNIPAM水凝胶的机械性能较差，主要原因是其在溶胀状态下聚合物链密度较低。本文引用了多项研究数据，指出PNIPAM水凝胶的杨氏模量（Young’s modulus）在溶胀状态下通常仅为几千帕，而在坍塌状态下则显著提高。此外，PNIPAM水凝胶的响应速度较慢，主要由于其表面结构阻碍了水的快速释放。通过引入孔隙形成添加剂（如二氧化硅颗粒和聚乙二醇）可以改善其响应速度，但这些方法通常无法显著提高机械性能。

2. 改进PNIPAM水凝胶机械性能的策略
   本文详细讨论了多种改进PNIPAM水凝胶机械性能的策略，包括互穿聚合物网络（IPN）、双网络水凝胶（DN）、纳米复合水凝胶（NC）和滑动环水凝胶（SR）等。

   • 互穿聚合物网络（IPN）：通过在PNIPAM水凝胶中引入第二聚合物（如聚乙烯醇或聚丙烯酰胺），可以增加聚合物链密度，从而提高机械性能。例如，Zhang等人通过引入聚乙烯醇显著提高了PNIPAM水凝胶的响应速度和机械强度。
     
   • 双网络水凝胶（DN）：DN水凝胶由两个不对称交联的网络组成，其中一个网络高度交联，另一个网络稀疏交联。Fei等人通过不对称交联策略将PNIPAM水凝胶的压缩强度提高了四倍。
     
   • 纳米复合水凝胶（NC）：通过引入纳米颗粒（如粘土或石墨烯氧化物），可以显著提高PNIPAM水凝胶的机械性能。Haraguchi等人首次报道了粘土基纳米复合水凝胶，其拉伸强度可达1 MPa，且具有极高的延展性。
     
   • 滑动环水凝胶（SR）：SR水凝胶通过环状分子（如环糊精）与聚合物链的物理交联实现高延展性。Bin Imran等人通过引入离子单体显著提高了SR水凝胶的拉伸强度和断裂伸长率。

3. 改进PNIPAM水凝胶的应用
   本文总结了改进PNIPAM水凝胶在多个领域的应用，包括软机器人、可注射水凝胶和形状记忆水凝胶等。

   • 软机器人：PNIPAM水凝胶的热响应性变形特性使其可用于软机器人。例如，Yoon等人通过不对称交联策略制备了具有自折叠功能的PNIPAM水凝胶，但其机械强度较低。后续研究通过引入刚性聚合物（如聚丙烯富马酸酯）显著提高了水凝胶的机械性能。
     
   • 可注射水凝胶：可注射水凝胶在靶向药物递送和组织工程中具有重要应用。Bai等人通过双交联策略制备了具有高机械强度的PNIPAM水凝胶，其杨氏模量可达25 MPa。
     
   • 形状记忆水凝胶：PNIPAM水凝胶的形状记忆特性使其可用于制备可变形结构。Yao等人通过不对称分布的多功能交联剂（如粘土）制备了具有优异形状记忆性能的PNIPAM水凝胶。

论文的意义与价值
本文系统总结了PNIPAM水凝胶的机械性能及其改进策略，为相关领域的研究提供了重要的参考。通过多种策略的讨论，本文展示了如何通过材料设计和结构优化显著提高PNIPAM水凝胶的机械性能，从而拓展其在生物医学、软机器人等领域的应用。此外，本文还指出了未来研究的方向，如结合多种改进策略、开发功能性纳米颗粒等，为PNIPAM水凝胶的进一步研究提供了思路。

亮点与创新
本文的亮点在于其全面性和系统性。通过对多种改进策略的详细讨论，本文不仅总结了现有研究的成果，还指出了未来研究的方向。此外，本文还结合了PNIPAM水凝胶的应用，展示了其在实际应用中的潜力。这些内容为相关领域的研究者提供了重要的参考和启发。

这篇综述论文通过详细的讨论和丰富的数据，为PNIPAM水凝胶的机械性能改进及其应用提供了全面的视角，具有重要的学术价值和应用价值。