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温度与光响应水溶性高分子的结构、性能及应用对比研究

一、引言

1.1研究背景

在材料科学领域，环境响应水溶性高分子的研究具有举足轻重的地位。这类高分子材料能够对温度、光、pH值、电场、磁场等外界环境刺激产生响应，发生物理或化学性质的变化，展现出独特的智能特性。因其在药物输送、生物传感器、组织工程、环境修复、智能涂料等众多领域的潜在应用价值，受到了科研人员的广泛关注，成为材料科学领域的研究热点之一。

温度响应水溶性高分子是研究较多的一类环境响应水溶性高分子，其在响应过程中会出现显著的流体力学体积变化，这一特性使其在水处理、提高石油采收率、药物释放控制、流体减阻以及个人护理用品等方面有着重要应用。例如，聚（N-异丙基丙烯酰胺）（PNIPAM）是典型的温度响应水溶性高分子，它具有低临界溶解温度（LCST），在LCST以下，分子链与水分子通过氢键相互作用，呈现良好的水溶性；当温度升高至LCST以上时，氢键被破坏，分子链发生卷曲，聚合物从溶液中析出，这种独特的温度响应行为使其在药物控释领域展现出巨大的应用潜力，能够实现药物在特定温度条件下的精准释放。

光响应水溶性高分子同样是智能材料领域的重要研究对象。这类高分子材料在光的照射下，分子结构会发生变化，如光异构化、光解离等，从而引发材料宏观性能的改变，如溶解度、粘度、表面性质等。光响应水溶性高分子在光控药物释放、光驱动分子机器、光致变色材料、信息存储等领域具有广阔的应用前景。以含偶氮苯基团的光响应水溶性高分子为例，偶氮苯基团在不同波长光的照射下会发生顺反异构转变，导致分子链构象改变，进而使高分子材料的性能发生变化，利用这一特性可制备光控药物释放体系，实现药物释放过程的精确光控。

1.2研究目的与意义

本研究旨在深入探究温度和光响应水溶性高分子的结构、性能及其响应机理，通过优化合成方法和分子设计，制备出具有优异响应性能的温度和光响应水溶性高分子材料，并探索其在药物释放、生物传感等领域的潜在应用。具体而言，研究目的包括：

深入剖析两种高分子的结构与性能关系：系统研究温度和光响应水溶性高分子的分子结构、链段运动、聚集态结构等因素对其响应性能的影响，明确结构与性能之间的内在联系，为材料的分子设计和性能优化提供理论依据。

优化合成方法：探索高效、绿色的合成方法，实现对温度和光响应水溶性高分子结构的精确控制，提高其合成产率和产品质量，降低生产成本，为工业化生产奠定基础。

拓展应用领域：通过对两种高分子材料性能的研究，开发其在药物释放、生物传感、环境监测等领域的应用，为解决实际问题提供新的材料选择和技术方案。

本研究具有重要的理论意义和实际应用价值。在理论方面，有助于深入理解环境响应水溶性高分子的响应机理和结构-性能关系，丰富高分子物理和高分子化学的理论知识，为新型智能高分子材料的设计和开发提供理论指导；在实际应用方面，为药物输送系统的优化、生物传感器灵敏度和选择性的提高、环境监测技术的发展等提供新型材料和技术手段，推动相关领域的技术进步和产业发展，对解决医疗、环境、生物等领域的实际问题具有重要的现实意义。

1.3国内外研究现状

国内外科研人员在温度和光响应水溶性高分子的研究方面取得了丰硕的成果。

在温度响应水溶性高分子的合成方面，已发展出多种聚合方法，如自由基聚合、可逆加成-断裂链转移（RAFT）聚合、原子转移自由基聚合（ATRP）等。RAFT聚合和ATRP等活性聚合方法能够实现对聚合物分子量及其分布的精确控制，制备出结构规整的温度响应水溶性高分子。科研人员通过分子设计，将不同的功能单体引入聚合物分子链中，制备出具有特殊性能的温度响应水溶性高分子。例如，在PNIPAM分子链中引入亲水性的聚乙二醇（PEG）链段，可改善其生物相容性；引入疏水性的烷基链段，则可调节其LCST。

在性能研究方面，深入探究了温度响应水溶性高分子的LCST及其影响因素。研究发现，聚合物的组成、结构、浓度、溶剂性质以及添加剂等都会对LCST产生影响。通过改变聚合物分子链中亲水和疏水基团的比例，可以有效调节其LCST。此外，还对温度响应水溶性高分子在溶液中的聚集行为、相转变动力学等进行了研究，为其应用提供了理论基础。

在应用研究方面，温度响应水溶性高分子在药物释放领域得到了广泛应用。制备的温度响应性微球、纳米粒子等药物载体，能够实现药物的控释和靶向输送。在组织工程领域，利用温度响应水溶性高分子的温敏特性，制备的温敏性水凝胶可作为细胞培养的支架材料，促进细胞的粘附、增殖和分化。

在光响应水溶性高分子的合成方面，主要通过在高分子主链或侧链引入光响应基团，如偶氮苯、二苯乙烯、螺吡喃等，来赋予高分子光响应性能。采用的合成方法包括自由基聚合、缩聚反应、点击化学等。通过点击化学方法，可以将带