仿生智能水凝胶

第1章 绪论 001
参考文献 007
第2章 构建水凝胶的常见高分子 012
2.1 天然高分子 013
2.1.1 多糖类 013
2.1.2 蛋白质类 016
2.1.3 多肽类 017
2.1.4 核酸类 019
2.2 合成高分子 020
2.2.1 聚丙烯及其衍生物类 020
2.2.2 聚醇类 021
2.2.3 其他类 022
参考文献 023
第3章 水凝胶的合成方法 040
3.1 由温度引起的高分子链纠缠 041
3.2 分子自组装 042
3.3 离子凝胶化/ 静电相互作用 043
3.4 化学交联 044
3.5 小结 045
参考文献 045
第4章 水凝胶内部的主要交联类型 048
4.1 永久共价交联 049
4.1.1 碳- 碳键 050
4.1.2 碳- 氮键 050
4.1.3 碳- 氧键 051
4.1.4 碳- 硫键 051
4.1.5 硅- 氧键 051
4.2 强物理交联 051
4.2.1 晶畴 052
4.2.2 玻璃状结节 052
4.2.3 螺旋关联 053
4.3 弱物理交联 053
4.3.1 氢键 053
4.3.2 静电相互作用 054
4.3.3 配位络合 055
4.3.4 主客体相互作用 055
4.3.5 疏水缔合 056
4.3.6 π-π 堆积 057
4.4 动态共价交联 057
4.4.1 亚胺键 058
4.4.2 硼酸酯键 058
4.4.3 二硫键 059
4.4.4 腙键 059
4.4.5 肟键 060
4.4.6 可逆Diels-Alder 反应 060
参考文献 061
第5章 水凝胶高分子网络的结构特征 077
5.1 弹性体水凝胶 078
5.1.1 干燥状态下的弹性高分子网络 078
5.1.2 溶胀状态下的弹性高分子网络 080
5.2 非弹性体水凝胶 082
5.2.1 理想高分子网络 083
5.2.2 含有滑动交联点的高分子网络 083
5.2.3 互穿和半互穿高分子网络 084
5.2.4 具有高官能交联的高分子网络 085
5.2.5 微纳纤维高分子网络 085
5.2.6 其他非常规高分子网络 086
5.3 由非常规高分子网络结构引起的力学性能分离 086
5.4 非常规高分子网络结构和相互作用的协同效应 089
参考文献 090
第6章 水凝胶极限力学性能的设计原理和调控方法 097
6.1 韧性：在可拉伸高分子网络中引入能量耗散机制 098
6.1.1 断裂韧性 098
6.1.2 坚韧水凝胶的设计原则 099
6.1.3 坚韧水凝胶的实施策略 100
6.2 强度：让高分子网络内部有足够多的分子链能够同时硬化且断裂 103
6.2.1 抗拉强度 103
6.2.2 抗拉伸水凝胶的设计原则 104
6.2.3 抗拉伸水凝胶的实施策略 105
6.3 弹性：降低水凝胶在一定变形范围内的机械耗散 1076.3.1 弹性 107
6.3.2 高弹性水凝胶的设计原则 107
6.3.3 高弹性水凝胶的实施策略 109
6.4 韧性黏结：整合具有机械耗散的增韧水凝胶基体与高强界面的交联 111
6.4.1 界面韧性 111
6.4.2 强界面黏附性水凝胶的设计原则 112
6.4.3 强界面黏附性水凝胶的实施策略 113
6.5 抗疲劳：用具有高本征断裂能的物质去阻碍疲劳裂纹扩展 115
6.5.1 疲劳阈值 115
6.5.2 抗疲劳水凝胶的设计原则 116
6.5.3 抗疲劳水凝胶的实施策略 117
6.6 抗疲劳粘接：在界面处强力固定具有高本征断裂能的物质 119
6.6.1 界面疲劳阈值 119
6.6.2 抗疲劳黏附水凝胶的设计原则 120
6.6.3 抗疲劳黏附水凝胶的实施策略 121
参考文献 122
第7章 水凝胶功能特性的设计原理和调控方法 130
7.1 导电性：形成连通的电子导电相 131
7.2 磁性：嵌入磁性颗粒并形成铁磁磁畴 132
7.3 折射率和透明度：均匀嵌入高折射率且无散射的纳米相 133
7.4 可调控声阻抗：等效均质水凝胶的密度和体积模量的调控 133
7.5 自愈性：在损伤区域形成新的交联或高分子链 134
7.6 可注射性：选择具有剪切变稀和自我修复特性的材料 136
参考文献 137
第8章 水凝胶的动态模拟 141
8.1 光图案化和光化降解法 142
8.2 动态光度图形法 143
8.3 细胞响应反馈系统法 144
8.4 刺激响应——形态变形法 145
8.5 细胞介导牵引力引起的形态变形法 146
参考文献 147
第9章 仿生智能水凝胶软执行器及其应用 150
9.1 自然界中的刺激- 响应驱动行为 151
9.1.1 基于细胞渗透压变化实现的驱动行为 152
9.1.2 基于纤维素原纤维结构不均匀膨胀实现的驱动行为 153
9.1.3 基于可逆弱键的断裂/ 生成实现的驱动行为 153
9.1.4 基于微观结构变化实现的驱动行为 154
9.1.5 基于软结构的收缩/ 拉伸实现的驱动行为 155
9.2 人造刺激- 响应性水凝胶执行器 155
9.2.1 热响应 156
9.2.2 光响应 161
9.2.3 磁响应 165
9.2.4 电响应 167
9.2.5 pH 响应 170
9.2.6 离子响应 172
9.2.7 湿度响应 173
9.2.8 溶剂响应 175
9.2.9 其他响应 176
9.3 仿生智能水凝胶执行器的应用 178
9.3.1 软执行器 179
9.3.2 流体操控 187
9.3.3 医学工程 191
参考文献 195
第10章 仿生自供能水凝胶传感器 205
10.1 自供能水凝胶传感器的供能机制 206
10.1.1 摩擦纳米发电 207
10.1.2 压电纳米发电 208
10.1.3 热电纳米发电 209
10.1.4 光伏发电 209
10.1.5 水伏发电 210
10.1.6 磁电发电 211
10.1.7 混合发电 211
10.2 自供能水凝胶传感器的典型应用 212
10.2.1 物理传感 212
10.2.2 健康护理 215
10.2.3 环境监测 217
参考文献 219
第11章 总结与展望 222
11.1 仿生智能水凝胶软执行器 223
11.2 自供能水凝胶传感器 224