张倩
【摘 要】新技术依赖于新材料的发展,这些材料可能仅仅是组分的创新组合.聚合物水凝胶网络与纳米颗粒(金属、 非金属、 金属氧化物和部分聚合物)的组合为复合材料提供了优异的功能前景,并应用于催化、 电子器件、 生物传感器、 药物传输、 纳米医学及环保等领域.综述了纳米颗粒-水凝胶复合物的最新研究进展,包括其合成、 设计、 潜在应用以及所存在的挑战,希望对以后纳米水凝胶复合材料的研究提供帮助. 【期刊名称】《广州化工》
【年(卷),期】2017(045)023
【总页数】无触点稳压电源3页(P3-5)
【关键词】纳米颗粒;水凝胶;复合材料;应用研究
【作 者】张倩
【作者单位】迁安市环保局,河北 迁安 064400
【正文语种】中 文
【中图分类】O648.11
Wichterlie和Lim[1]报道了能够将膨胀和收缩性质控制在几个数量级内的水凝胶，这个发现为刺激响应性系统性提供了基础。由于纳米粒子与其他材料在性能上存在较大差异，将其应用于普通消费产品及电子器件，这一趋势引发了公众对纳米技术安全性的争论[2]。将纳米颗粒掺到水凝胶中有可能会减小对人类健康和环境带来的风险。此外，将两种完全不同的材料复合在一起不仅会产生结构的多样性，还会使多种性能增强，比如可以提高机械强度和刺激反应。 Willner[3]研究小组报道了脱水凝胶发生溶胀会使金纳米粒子固定在聚丙烯酰胺(PAAm)中，从而使金纳米粒子在凝胶基质中均匀分布。通过在水凝胶网络中原位还原金(Ⅲ)氯化物，获得PAAm水凝胶中Au的结构相似的纳米分散体[4]。研究人员在生物医学、光学等领域不断研究，实现了这些结构能够独特分散的各种方法。三种不同类型的超分子水凝胶纳米粒
子：①稳定单/多纳米颗粒的微凝胶或纳米凝胶；②水凝胶基质中以非共价固定的纳米粒子；③在水凝胶基质中以共价固定的纳米粒子。结构①主要应用于生物医学(尤其是药物运输)、催化和电子学[5]；结构②和③型水凝胶Schexnailder和Schmidt[6]曾研究过，关于其类型的水凝胶的应用研究较少[7]。
形成纳米颗粒-水凝胶复合物的最简单的方法是将预先形成纳米颗粒单体溶液中的悬浮液的凝胶化，这种方法已被用于制备光学响应的纳米复合水凝胶[8]。采用这种简单的方法来获得含有Au或Si-NPs的水凝胶，从而防止聚集。该方法具有一些缺陷，如果交联密度低，纳米颗粒将浸出水凝胶基质。
为了研究Au-NPs水凝胶的溶剂可转换为电化学性能，Pardo-Yissar等[3]在水凝胶的电聚合形成之后将Au-NPs掺入PAAm凝胶中，在金纳米粒子存在下不能进行电聚合，这是由于在电场影响下他们很容易发生聚集，所以在凝胶通过“呼吸”机制形成后，纳米粒子才会被引入凝胶基质中。纳米离子的引入可分为三步(如图1所示)：(1)溶胀的凝胶放置在丙酮中2 min，使凝胶因脱水而崩塌；(2)萎缩的凝胶然后放置在柠檬酸盐水溶液中(金纳米粒子直径为5 nm)稳定2 min，凝胶溶胀，水洗移除凝胶表面的纳米粒子。
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纳米水凝胶复合材料开发中的一个特别有趣的例子是使用纳米颗粒表面上存在的交联基团。Souza等[9]将金纳米粒子与噬菌体相结合产生噬菌体分子网络，由此产生的水凝胶网络保留了肽细胞表面受体和内在属性。在形成凝胶过程中，纳米颗粒作为交联剂而不是传统水凝胶发生反应的两个共价键。在最近的一项研究中，张等[11]利用光引发自催化聚合，合成了半导体纳米水凝胶。该系统由四部分组成：①水；②氧化锌水溶性纳米半导体(ZnO)、二氧化钛(TiO2)、铁(Ⅲ)氧化物(Fe2O3)、氧化锡(SnO2)、锆石-毒芹二氧化碳(ZrO2)、硒化镉(CdSe)或碲化镉(镉)；③N，N-二甲基丙烯酰胺(DMAA)；④粘土纳米片。半导体纳米粒子作为DMAA聚合的无机引发剂，结果表明，即使在可见光照射下，硒化镉和碲化镉也能形成稳定的凝胶。
Wu等[12]报道了将Si纳米粒子掺入到导电聚合物水凝胶中，经原位聚合生成了一个由Si纳米粒子包覆导电聚合物三维的网络结构。这种水凝胶的形成是通过在水中加入植酸和苯胺，然后加入氧化剂(例如：过硫酸铵)，通过可扩展的溶液相来合成。苯胺氧化并快速聚合形成聚苯胺，由于植酸的凝胶剂的存在，混合物形成了一种深绿粘稠的凝胶，然后干燥形成均匀的薄膜可应用于电化学。
银(Ag)NPs以抗菌性著称，被广泛用于补牙材料创伤和烧伤敷料，以防止感染[13]。将金纳米粒子掺入到PAAm[14]，聚丙烯酸(PAA)[15]，甲基丙烯酸甲酯[16]中制备的水凝胶用作功能性的抗菌涂料。将Ag-NPs掺入pH-响应的水凝胶中，葡萄糖作氧化酶，可用做葡萄糖浓度传感器，该水凝胶溶胀-收缩改变颗粒间的距离、影响基于传感器的光学反应，从而可对葡萄糖进行检测[17]。
刺激响应性和可转换的导电Au-NP水凝胶复合材料已被多个多个课题组研究[10,18]。由于外部刺激(温度、pH)会改变粒子间间距，从而导致水凝胶导电性的变化。尽管Au-NP水凝胶复合材料在基于SPR的传感器[19]和抗菌应用中已显示出有效性[20]，但较高的成本阻碍了此类应用的发展。凝胶的快速响应归因于其基质内的热量产生，而不是基质外，人们正在研究这些复合凝胶的细胞毒性，在不久的将来将用于临床试验[21]。不同尺寸、结构的Au-NP固定在热响应性水凝胶基质中可作为遥控微流控阀，这种应用的原理是依赖于热响应随纳米颗粒尺寸的变化而变化。
虽然大多数金属NP水凝胶复合物的研究涉及银和金纳米粒子，其他的金属纳米粒子在各个领域也表现出了优势。铂(Pt)金属是一种氢化催化剂，将Pt NP掺入到Bola型两亲分子水凝
胶中，发现是该水凝胶是一种对硝基苯胺高效的加氢催化剂[22]。钴(Co)、镍(Ni)磁性纳米粒子也被掺入到水凝胶中形成软磁场驱动的致动器[23]，将镍和镍氧化物核壳纳米粒子掺入到PVA水凝胶中，可对磁场产生响应并用于分离和浓缩混合物。
金属氧化物NP水凝胶复合材料由于具有铁磁性和半导电性而受到人们的关注。氧化铁(FexOy)是一种常用的铁磁材料，将其掺入到水凝胶形成磁性水凝胶[24]，Ozay等[25]将磁性氧化Fe(Ⅱ)NP负载到聚(2-丙烯酰胺-2-甲基-1-丙醇-丙烯酸乙烯基咪唑)水凝胶中用于吸附和移除Cu2+(如图2所示)。磁性水凝胶也可以磁驱动执行器来模拟肌肉运动，Caykara等[26]在碱性介质中，通过铁前体的原位氧化制备了固定在聚(2-丙烯酰胺-2-甲基-1-丙醇-丙烯酸乙烯基咪唑)水凝胶中的Fe3O4[27]。二氧化钛和氧化锌纳米颗粒已被开发用于紫外线防护和光催化性能，这些材料在护肤品和自洁表面具有潜在的应用价值[28]。
非金属基纳米颗粒，如碳基材料(氧化石墨烯、纳米点、纳米管)；量子点(CdTe)和Si已被用于制造具有独特性能和功能的复合材料。传统上，硅基纳米颗粒用作催化剂或功能材料的载体，Yang等[29]将Si NP掺入到PAA水凝胶中作交联剂，有效的提高了其机械性能。碳纳米管、石墨烯氧化物甚至黑素，当放置在水凝胶作为近红外光谱光吸收材料可用于光热csmate
药物传输[30]。半导体量子点CdSe/ZnS和CdSe/CdS已被掺入到水凝胶中生产作生物标记的荧光水凝胶[31]。
纳米粒子水凝胶作为先进的复合材料，具有多功能和刺激响应性能，多功能包括：菌凝胶/屏障/基质、光热活性水凝胶、软材料催化剂、环境吸附剂、药物运载工具、光学检测传感器、软制动器；潜在应用包括：生物传感器和临植入纳米粒子水凝胶复合体系、催化氧化毒素/去除污染物的环境修复系统、用于化学合成可回收的催化纳米颗粒水凝胶复合材料、复合水凝胶在化妆品方面的应用。我们希望合成和方法及应用使读者对纳米粒子水凝胶有一个更好的了解。
【相关文献】
[1] Wichterle O, Lim D. Hydrophilic gels for biological use[J]. Nature,1960,185(4706):117-118.
[2] Aschberger K, Rauscher H, Crutzen H, et al. Considerations on information needs for nanomaterials in consumer products[J]. Discussion of a Labelling and Reporting Scheme for Nanomaterials in Consumer Products in the EU,2014,153(24):5-70.
[3] Pardo-Yissar V, Gabai R, Shipway A N, et al. Gold Nanoparticle/Hydrogel Composites with Solvent-Switchable Electronic Properties[J]. Advanced Materials,2001,13(17):1320-1323.
中草药压片机
[4] Wang C, Flynn N T, Langer R. Controlled structure and properties of thermoresponsive nanoparticle-hydrogel composites[J]. Advanced Materials,2004,16(13):1074-1079.
[5] Satarkar N S, Biswal D, Hilt J Z. Hydrogel nanocomposites: a review of applications as remote controlled biomaterials[J]. Soft Matter,2010,6(11):2364-2371.
贴片变压器[6] Schexnailder P, Schmidt G. Nanocomposite polymer hydrogels[J]. Colloid and Polymer Science,2009,287(1):1-11.马来酸酐
[7] Gaharwar A K, Peppas N A, Khademhosseini A. Nanocomposite hydrogels for biomedical applications[J]. Biotechnology and bioengineering, 2014,111(3):441-453.
[8] Sershen S R, Westcott S L, Halas N J, et al. Independent optically addressable nanop
article-polymer optomechanical composites[J]. Applied Physics Letters,2002,80(24):4609-4611.
[9] Souza G R, Christianson D R, Staquicini F I, et al. Networks of gold nanoparticles and bacteriophage as biological sensors and cell-targeting agents[J]. Proceedings of the National Academy of Sciences,2006,103(5):1215-1220.
