从医学到软体的未来应用

形状记忆水凝胶的发展推进了水凝胶材料在现有应用中的新功能。例如，将水凝胶与生物活性分子相结合用于可控传输，可以扩散锚定至指定位置。在宏观或微观尺寸下形状记忆水凝胶的空间定向运动可用于填充敏感化合物之后的密封，即在植入前使用体外形状恢复。此外，在分子水平上，当形状记忆水凝胶的临时交联断开时，转换网络结构或形态可以使得药物快速加载到指定位置。因此，随着形状恢复时交联的解离，使得释放速率增强，以及随后重复施加刺激直至负载物耗尽。在一些情况下，用作临时交联的离子从水凝胶中释放时可以获得额外的有益生物效应。由丙烯腈，丙烯酸和交联剂N,N'-双(丙稀酰)胱胺制备得到离子敏感形状记忆水凝胶，可以从平面形状转换成立体型。该水凝胶阐明了定位对人骨髓间充质干细胞(hMSCs)向成脂或成骨细胞扩散和分化的作用，这可能是由于微重力对细胞骨架组织的影响(图7)。

图7 形状记忆水凝胶立方体及其hMSCs染色后的荧光显微照片

形状记忆水凝胶进一步在智能执行器技术领域的应用是未来的目标，如人工肌肉，软体机器人或微型水中机器(图8)。特别值得注意的是，由水凝胶制备的软体机器人与基于刚性材料(如钢)的传统机器人相比，软体机器人适合在自然环境中应用，避免对环境的机械破坏。为了实现形状记忆水凝胶在这些领域的应用，需要对转换动力学，产生的转换力和转换的可逆性进行进一步的探讨和研究。

图8 形状记忆水凝胶未来应用的愿景

【总结】

该综述说明了在疏水性形状记忆聚合物中实现形状变换的一些结构原理也可以应用于水凝胶。重要的是，可以通过使用相分离的低聚侧链作为分子开关或使用具有多孔内部结构的水凝胶来解决诸如在转换时保持样品体积的难题。除了用于形状记忆聚合物的经典刺激如热刺激之外，水凝胶能够使用其他的一些刺激，包括pH，光，离子和可以在富含水的聚合物网络中扩散以与临时交联相互作用并诱导双重或三重效应的其它组分。生物聚合物或杂化/多孔系统具备更复杂的结构，其中成形结构的定制是材料功能的关键。可以预期的是，诸如启动切换过程的各种刺激的最新进展将被转移到更复杂的系统，以便增强功能性并且满足从医学到智能技术致动器未来应用的需求。