本書從構建水凝膠的常見高分子著手，闡述了水凝膠的主要合成方法、內部的主要交聯(lián)類型以及高分子網(wǎng)絡的結構特征；介紹了功能性水凝膠力學性能和物理特性的設計原理以及相應的調控方法；進一步展開介紹了受自然界中刺激－響應驅動行為啟發(fā)而構建的仿生智能水凝膠軟執(zhí)行器及其應用；特別關注了近幾年興起的自供能水凝膠傳感器，闡述了相應的供能機制和應用領域；最后說明了該領域當前的挑戰(zhàn)以及未來的發(fā)展方向。
水凝膠(hydrogel)是一種3D 親水交聯(lián)聚合物網(wǎng)絡，其物理特性類似于軟生物組織，可以通過表面張力或毛細管效應容納大量的水。自然界中，生物體的形態(tài)、模式和結構為科學的創(chuàng)新提供了靈感，也為解決仿生智能水凝膠在應用面臨的問題上提供了寶貴的借鑒。從基礎研究和實際應用的角度來講，探索新型仿生智能水凝膠具有重要的現(xiàn)實意義。
本書以智能水凝膠為主線，借鑒仿生學思維，以介紹和討論仿生水凝膠研究的科學策略，將其內部的構建機制應用到人造材料中解決實際問題為目標。仿生智能水凝膠具有可調的力學性能、優(yōu)異的加工性能、自修復性能、多重黏附性等優(yōu)異特性，從學術研究到工業(yè)領域的應用（包括藥物輸送、組織工程、醫(yī)療植入物和傷口敷料，以及傳感器、軟執(zhí)行器、電子皮膚和柔性機器人等）都引起了人們的廣泛關注。盡管在過去這些年中，研究人員們已經開發(fā)出了大量的水凝膠并將其應用于不同的領域，但依然缺乏一套用于指導使用不同材料或制造方法來設計滿足不同應用目的的水凝膠的通用原則，這也是本書要解決的核心問題。
本書從構建水凝膠的常見高分子著手，系統(tǒng)闡述了水凝膠的主要合成方法、內部的主要交聯(lián)類型以及高分子網(wǎng)絡的結構特征，詳細介紹了功能性水凝膠力學性能和物理特性的設計原理以及相應的調控方法（本書中所介紹的這些設計原則和實施策略都是基于通用高分子網(wǎng)絡的，同時，它們也適用于其他軟材料，包括彈性體和有機凝膠）；隨后，進一步展開介紹了受自然界中刺激- 響應驅動行為啟發(fā)而構建的仿生智能水凝膠軟執(zhí)行器及其應用；特別關注了近幾年興起的自供能水凝膠傳感器，詳細闡述了相應的供能機制和應用領域；最后簡要說明了該領域當前的挑戰(zhàn)以及未來的發(fā)展方向。
本書可供仿生、高分子、水凝膠、軟體機器人、柔性傳感器等研究領域人員參考，亦可作為相關領域愛好者的科普讀物；本書涉及跨領域知識，還可作為高等院校材料類專業(yè)、化學化工類專業(yè)、機械專業(yè)、生物科技類專業(yè)等相關專業(yè)本科生或研究生的進階教材，部分章節(jié)的內容適合電子、醫(yī)學、能源和環(huán)境等相關領域特定二級學科學生學習了解。
Yu Shrike Zhang、高雪芹、趙選賀、Erica L.Bakota、David A.Tirrell、Francis G.Spinale、Partrick H.Campbell、陳俊、聶雙喜、陳寶東等人為本書提供了大力支持，在此表示衷心的感謝。
由于編著者水平有限，書中難免會有疏漏之處，敬請讀者批評指正。
編著者
2023年4月
第1章 緒論
參考文獻
第2章 構建水凝膠的常見高分子
2.1 天然高分子
2.1.1 多糖類
2.1.2 蛋白質類
2.1.3 多肽類
2.1.4 核酸類
2.2 合成高分子
2.2.1 聚丙烯及其衍生物類
2.2.2 聚醇類
2.2.3 其他類
參考文獻
第3章 水凝膠的合成方法
3.1 由溫度引起的高分子鏈糾纏
3.2 分子自組裝
3.3 離子凝膠化/靜電相互作用
3.4 化學交聯(lián)
3.5 小結
參考文獻
第4章 水凝膠內部的主要交聯(lián)類型
4.1 永久共價交聯(lián)
4.1.1 碳-碳鍵
4.1.2 碳-氮鍵
4.1.3 碳-氧鍵
4.1.4 碳-硫鍵
4.1.5 硅-氧鍵
4.2 強物理交聯(lián)
4.2.1 晶疇
4.2.2 玻璃狀結節(jié)
4.2.3 螺旋關聯(lián)
4.3 弱物理交聯(lián)
4.3.1 氫鍵
4.3.2 靜電相互作用
4.3.3 配位絡合
4.3.4 主客體相互作用
4.3.5 疏水締合
4.3.6 π-π堆積
4.4 動態(tài)共價交聯(lián)
4.4.1 亞胺鍵
4.4.2 硼酸酯鍵
4.4.3 二硫鍵
4.4.4 腙鍵
4.4.5 肟鍵
4.4.6 可逆Diels-Alder反應
參考文獻
第5章 水凝膠高分子網(wǎng)絡的結構特征
5.1 彈性體水凝膠
5.1.1 干燥狀態(tài)下的彈性高分子網(wǎng)絡
5.1.2 溶脹狀態(tài)下的彈性高分子網(wǎng)絡
5.2 非彈性體水凝膠
5.2.1 理想高分子網(wǎng)絡
5.2.2 含有滑動交聯(lián)點的高分子網(wǎng)絡
5.2.3 互穿和半互穿高分子網(wǎng)絡
5.2.4 具有高官能交聯(lián)的高分子網(wǎng)絡
5.2.5 微納纖維高分子網(wǎng)絡
5.2.6 其他非常規(guī)高分子網(wǎng)絡
5.3 由非常規(guī)高分子網(wǎng)絡結構引起的力學性能分離
5.4 非常規(guī)高分子網(wǎng)絡結構和相互作用的協(xié)同效應
參考文獻
第6章 水凝膠極限力學性能的設計原理和調控方法
6.1 韌性：在可拉伸高分子網(wǎng)絡中引入能量耗散機制
6.1.1 斷裂韌性
6.1.2 堅韌水凝膠的設計原則
6.1.3 堅韌水凝膠的實施策略
6.2 強度：讓高分子網(wǎng)絡內部有足夠多的分子鏈能夠同時硬化且斷裂
6.2.1 抗拉強度
6.2.2 抗拉伸水凝膠的設計原則
6.2.3 抗拉伸水凝膠的實施策略
6.3 彈性
6.3.2 高彈性水凝膠的設計原則
6.3.3 高彈性水凝膠的實施策略
6.4 韌性黏結：整合具有機械耗散的增韌水凝膠基體與高強界面的交聯(lián)
6.4.1 界面韌性
6.4.2 強界面黏附性水凝膠的設計原則
6.4.3 強界面黏附性水凝膠的實施策略
6.5 抗疲勞：用具有高本征斷裂能的物質去阻礙疲勞裂紋擴展
6.5.1 疲勞閾值
6.5.2 抗疲勞水凝膠的設計原則
6.5.3 抗疲勞水凝膠的實施策略
6.6 抗疲勞粘接：在界面處強力固定具有高本征斷裂能的物質
6.6.1 界面疲勞閾值
6.6.2 抗疲勞黏附水凝膠的設計原則
6.6.3 抗疲勞黏附水凝膠的實施策略
參考文獻
第7章 水凝膠功能特性的設計原理和調控方法
7.1 導電性：形成連通的電子導電相
7.2 磁性：嵌入磁性顆粒并形成鐵磁磁疇
7.3 折射率和透明度：均勻嵌入高折射率且無散射的納米相
7.4 可調控聲阻抗：等效均質水凝膠的密度和體積模量的調控
7.5 自愈性：在損傷區(qū)域形成新的交聯(lián)或高分子鏈
7.6 可注射性：選擇具有剪切變稀和自我修復特性的材料
參考文獻
第8章 水凝膠的動態(tài)模擬
8.1 光圖案化和光化降解法
8.2 動態(tài)光度圖形法
8.3 細胞響應反饋系統(tǒng)法
8.4 刺激響應——形態(tài)變形法
8.5 細胞介導牽引力引起的形態(tài)變形法
參考文獻
第9章 仿生智能水凝膠軟執(zhí)行器及其應用
9.1 自然界中的刺激-響應驅動行為
9.1.1 基于細胞滲透壓變化實現(xiàn)的驅動行為
9.1.2 基于纖維素原纖維結構不均勻膨脹實現(xiàn)的驅動行為
9.1.3 基于可逆弱鍵的斷裂/生成實現(xiàn)的驅動行為
9.1.4 基于微觀結構變化實現(xiàn)的驅動行為
9.1.5 基于軟結構的收縮/拉伸實現(xiàn)的驅動行為
9.2 人造刺激-響應性水凝膠執(zhí)行器
9.2.1 熱響應
9.2.2 光響應
9.2.3 磁響應
9.2.4 電響應
9.2.5 pH響應
9.2.6 離子響應
9.2.7 濕度響應
9.2.8 溶劑響應
9.2.9 其他響應
9.3 仿生智能水凝膠執(zhí)行器的應用
9.3.1 軟執(zhí)行器
9.3.2 流體操控
9.3.3 醫(yī)學工程
參考文獻
第10章 仿生自供能水凝膠傳感器
10.1 自供能水凝膠傳感器的供能機制
10.1.1 摩擦納米發(fā)電
10.1.2 壓電納米發(fā)電
10.1.3 熱電納米發(fā)電
10.1.4 光伏發(fā)電
10.1.5 水伏發(fā)電
10.1.6 磁電發(fā)電
10.1.7 混合發(fā)電
10.2 自供能水凝膠傳感器的典型應用
10.2.1 物理傳感
10.2.2 健康護理
10.2.3 環(huán)境監(jiān)測
參考文獻
第11章 總結與展望
11.1 仿生智能水凝膠軟執(zhí)行器
11.2 自供能水凝膠傳感器
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