智能高分子凝胶在细胞培养、人工触觉系统等的应用

（1）细胞培养
凝胶具有良好的生物相容性，结构上又和生物体具有相似性，因此在细胞培养领域应用广泛。而使用响应型水凝胶进行细胞培养则可以实现可控的细胞吸附和脱附。例如，用PNIAM和胶原混合，制备了一种智能型的细胞培养基，当细胞在其上生长完成后，通过控制温度导致PNIAM水凝胶发生相转变，可以使细胞在其上脱附。智能凝胶的响应性引起细胞生长微环境的变化，对细胞的迁移和分化均有重要影响。例如，某种自变形的水凝胶形变成立方体​，可在其上培养人骨髓间质干细胞。在水凝胶立方体的不同面上（底面、表面、侧面）​，通过重力作用诱导干细胞向不同的方向进行细胞分化。该方法不仅揭示了重力作用在细胞分化上的影响，同时还为细胞的可控分化提供新的方法。

（2）药物释放系统（DDS）
药物释放系统是指在某些物理刺激（如温度、光、超声波、微波和磁场等）或化学刺激（如pH值、葡萄糖等）作用下可释放药物的系统，而且能由体外的光、电、磁和热等物理信号遥控体内的刺激响应性药物，使其向信号集中的特定部位靶向释放。病人患病时常伴随着全身或局部的发热及各种化学物质浓度的变化，因此可利用智能高分子凝胶构成具有自反馈功能的智能型药物释放系统。浸含药物的凝胶粒子在身体正常的情况下呈收缩状态，因为形成致密的表面层，可以使药物保持在粒子内。当感受到病灶信号（温度、pH值、离子、生理活性物质）后，凝胶体积膨胀，使包含的药物通过扩散释放出药物；当身体恢复正常后，凝胶又恢复到收缩状态，从而抑制了药物的进一步扩散。

例如将胰岛素和包裹了葡萄糖酶的纳米胶囊包埋在pH值响应型壳聚糖微凝胶中，得到一种针对Ⅰ型糖尿病的智能药物体系。如图7-23所示，这种壳聚糖微凝胶可以通过注射的方式进入血液中，当葡萄糖通过扩散进入微胶囊后就会被葡萄糖特异性酶转化为葡萄糖酸，葡萄糖酸的产生导致壳聚糖微凝胶质子化溶胀，微凝胶溶胀后就会释放出胰岛素促进血液中的血糖下降。在正常的血糖环境中，这种微凝胶的胰岛素释放处于一个基础水平，当处于高血糖环境中时，胰岛素的释放速率就会相应提升。pH值响应型壳聚糖微凝胶基质和微胶囊包埋的葡萄糖酶构成了一个针对血糖的智能响应体系，同时由于葡萄糖酶被包裹在微凝胶中的纳米胶囊体系中，避免了酶的脱附、失活及抗原反应。

（3）化学机械
利用智能高分子凝胶的溶胀—退溶胀还可以实现机械能-化学能之间的转换，即智能高分子凝胶作为化学机械材料，比如在由聚丙烯酸和水构成的智能高分子凝胶上加上一定质量的负荷，然后通过调节周围溶液的pH值或离子强度，使凝胶发生膨胀收缩，从而将化学能转变为机械能，人们形象地称之为人工肌肉。采用聚乙烯醇和聚丙烯酸的韧性水凝胶，经反复冷冻和解冻制成大孔径结构，其拉伸强度高达0.5 MPa，具有反复的化学机械性能和高持久性。

（4）吸附与分离技术
除了在生物医用材料领域的广泛应用之外，响应型水凝胶也可以应用在污水处理、土壤再生等环保领域。带有极性基团的水凝胶如聚丙烯酸类水凝胶对于各种重金属离子有很好的吸附性，在工业废水中可以吸附这些重金属离子，应用于土壤中可以使这些重金属离子富集达到净化土壤的效果。在这些环保凝胶中引入响应型水凝胶体系，就可以通过水凝胶的相变来使污染物脱附，从而使材料清洁再生。

另外，在膜分离技术领域，引入响应型水凝胶，可以通过水凝胶的体积变化来控制膜的孔径等因素，进而实现膜通量等因素的控制。例如，以功能化石墨烯抽滤膜为骨架和PNIPAM高分子通过超分子作用制备一种通过石墨烯组装的水凝胶膜。这种水凝胶膜在温度升高后，由于PNIPAM发生相变而塌缩，从而导致水凝胶膜的孔道增大，膜通量显著提升。温度下降后，膜的通量又会恢复到原来水平。

（5）人工触觉系统
根据仿生学的原理，智能高分子凝胶可制成人工触觉系统。人们知道，许多生物体的传感系统（如人的皮肤表面、手指）是通过压电效应来实现传感的。在由聚电解质构成的凝胶中，同样存在压电效应，采用智能高分子凝胶制成压力传感器就是利用这一原理。将两块由聚电解质构成的凝胶并排放在一起，并使其中一块发生变形，受力变形的凝胶就会形成新的电离平稳，从而导致两块凝胶间出现离子浓度差而产生电位差，可以制成像人的手指那样的人工触觉系统。