1. 什么是形状记忆聚合物？
形状记忆聚合物（shape，SMP）是一种智能响应材料，又称形状记忆聚合物。 是指具有初始形状，在一定条件下改变形状，固定后暂时保持形状的产品。 它可以通过外界条件（如电、热、光、化学感应等）的刺激而恢复原来的形状。 形状记忆聚合物作为一种新兴的智能材料，与传统的形状记忆合金相比形状，具有成本低、重量轻、变形量大（高达800%）、易于加工、响应模式多样、刺激响应范围广等优点。 除了良好的化学稳定性和生物相容性外，一些材料还具有一定的透明度和可调节的生物降解速率。 因此，基于这种智能材料的可变形结构在生物医学、航空航天等众多领域显示出巨大的应用潜力。
存在许多不同类型的形状记忆聚合物，包括基于环氧基的形状记忆聚合物、基于氰酸酯的形状记忆聚合物、基于聚酰亚胺的形状记忆聚合物和基于苯乙烯的形状记忆聚合物。
形状记忆聚合物有多种驱动方式，包括热驱动、化学驱动、电驱动、光驱动、磁驱动等。
形状记忆聚合物的记忆性能主要源于材料的双组分结构：固定相和可逆相（也称为交联网络点和分子开关）。 固定相主要起到记忆材料原始形状的作用。 它可以是化学交联点（热固性）或物理交联点（热塑性）。 可逆相用于固定材料的临时形状。 它在材料的转变温度附近冻结或软化，导致其机械性能发生变化。 可逆相可以是晶态或非晶态，因此形状记忆聚合物的转换温度可以是熔化温度Tm或玻璃化转变温度Tg。
2. SMP 的制备
物理方法制备SMP主要是通过改变聚合物中分子链的柔性（如引入软段分子链或硬段分子链）、晶区分布、增强复合材料来实现。 采用物理方法制备SMP具有工艺简单、操作方便、受环境因素影响小、易于工业化等优点。 然而，由于材料内部难以获得稳定的微观化学结构，其宏观形状记忆过程的程序化设计受到很大限制。 因此，寻找一种获得稳定微观结构的方法是物理制备SMP的首要任务。
化学方法制备的SMP可以在聚合物中生成新的稳定的化学键（如共价键、离子键、氢键等），并且一些化学键在外界刺激下还表现出动态变化。化学方法制备的SMP的微观结构为稳定，但难以实现工业化生产。 这主要是因为化学方法制备SMP的过程比较复杂。 大多数反应需要较高的环境条件，只能在实验室条件下合成。 因此，化学法制备的SMP的工业化生产和应用仍需进一步探索。
3. SMP最新研究成果
(1)文献链接：《Shape-for》
（，2020 年，DOI：10.1002/adfm。）
近日，比利时根特大学Van教授团队在国际知名期刊（IF16.836）上报道了形状记忆聚合物在生物医学领域应用的最新研究进展。 该论文的第一作者是根特大学的博士生，Peter 是共同作者。 ，范为通讯作者。 本综述涵盖了形状记忆聚合物的最新文献，大致可分为四个部分。 在第一部分中，他们讨论了各种形状记忆聚合物的一般基础知识，包括形状记忆效应、形状记忆效应的定量模型以及形状记忆聚合物的生物材料要求。 在第二部分中，他们详细分析了形状记忆聚合物在生物医学中的药物递送、心血管应用、骨组织工程、抗菌功能等方面的应用。 第三部分分析了热、溶剂、光、电、磁、pH等不同触发因素用于恢复永久形状的效果，以及它们各自在生物医学领域的应用。 第 4 部分讨论了新型可逆形状记忆聚合物。
图文介绍：
图 1.热响应形状记忆聚合物的永久和临时形状的势能图。 （A 显示出对熵有利的永久形状，可以通过加热和变形为不利的临时状态 C 来编程。永久形状 A 可以通过加热临时形状 C 来恢复。在临时形状和永久形状之间切换期间，聚合物经历过渡状态 B，其中聚合物链变得可移动，从而允许链重组）
图 2. 使用 HIFU 同时触发形状记忆聚合物的恢复和硫酸铜药物从聚合物基质中的释放。
（一种基于聚（甲基丙烯酸甲酯-丙烯酸丁酯）的药物释放形状记忆聚合物，可以使用超声波进行回收，以触发硫酸铜模型化合物（5 wt%）的同时释放）
图 3. 热引起的形状记忆效应
图4. ε-己内酯和甲基丙烯酸缩水甘油酯共聚以获得可化学交联的形状记忆聚合物
图 5. 具有高应变能力的形状记忆两亲性有机凝胶网络。 A) 编程临时形状并恢复永久形状的过程； B) 在数倍于自身重量的负载下恢复形状记忆聚合物的永久形状。
图 6 光响应形状记忆聚合物的工作原理
（2）文献链接：《Shape in self-》（in, 2020, DOI:10.1016/j..2020.）
美国克莱姆森大学Marek W. Urban教授团队在国际知名期刊（IF 22.62）上报告了自修复聚合物形状记忆效应的综述。 本综述分析了聚合物形状记忆效应在损伤自愈中的作用。 他们从结构要求和热力学出发，讨论了损伤修复周期中能量存储和释放背景下形状记忆效应的定量方面。 聚合物形状记忆的表征主要集中在恢复率和固定率。 在这篇综述中，还探讨了控制应变、应力和能量存储能力的因素，其中对自修复影响最大的是可逆塑性形状记忆循环中的变形性和构象熵能量存储和释放效率。 还讨论了形状恢复后强度恢复的物理和化学机制，以及影响自愈过程的其他物理因素。
图文介绍：
图7 形状记忆效应对压痕的自修复 (A) 聚氨酯形状记忆薄膜中压痕的原子力显微镜敲击模式图像； (B) 聚氨酯形状记忆薄膜中压痕恢复的三维（I）和二维图像（II）表面扫描； (C) 从室温加热到 Tg 期间通过恢复环氧树脂中的纳米级压痕的 AFM 图像（显示对应于 2 μN 加载力的压痕形状恢复）。
图 8. 由 (A) 界面流动和 (B) 形状记忆驱动的物理修复机制的图形描述； (C) 形状记忆驱动的聚氨酯薄膜伤口闭合的光学显微镜图像。
(3)文献链接：《形状：形状与》
（，2020 年，DOI：10.1002/adma。）
俄亥俄州立大学赵瑞克教授团队在国际知名期刊（IF27.398）上报道了一种新型磁性形状记忆聚合物复合材料，可以在一个材料系统中实现多种形状操控。 该复合材料由无定形形状记忆聚合物基质中的两种磁性颗粒组成。 通过低矫顽力颗粒的磁感应加热软化基体，具有可重新编程磁化曲线的高剩磁颗粒在驱动磁场下驱动快速可逆的形状变化。 冷却后，即可锁定驱动器形状。 此外，改变加热的颗粒负载可以实现顺序驱动。 集成多功能形状处理技术进一步开发，适用于具有大夹持力的软磁夹具、可重构天线和用于计算的顺序逻辑等应用。
图文介绍：
图 9. 磁性形状记忆聚合物 (M-SMP) 的工作机。 a) M-SMP在低温下很硬，不能通过施加的驱动磁场（Ba）来驱动； b) 通过施加加热磁场（Bh），M-SMP 变软并可被激活 c) 当 Bh 关闭时，M-SMP 冷却并变硬，并且被激活的形状被锁定； d) M-SMP 的磁化曲线可以重新编程以适应不同的驱动方法。
图 10. M-SMP 的热机械特性和磁加热特性。 a) 纯 SMP 和 P15-15（含有 15%（体积）Fe3O4 和 15%（体积）NdFeB 的 M-SMP）的储能模量和 tan δ 作为温度的函数； b) 85°C 时，NdFeB 和 Fe3O4 颗粒负载量对 M-SMP 杨氏模量的影响； c）P15-15第2~4次循环的形状记忆性能（黑色虚线：应力；蓝色实线：应变；红色虚线：温度）； d) M-SMP 的静态磁滞回线。 M 为外加磁场 B 下测得的磁矩密度 e) 不同 Fe3O4 负载量（P0-15、P5-15、P15-15 和 P25-15）的 M-SMP 在 60 kHz 交流磁场下的磁通密度 磁滞环形; f) 电磁加热功率。 不同Fe3O4含量的M-SMP在不同Bh下的密度。
图 11. 通过叠加磁场实现 M-SMP 的快速变形和形状锁定。 a) 叠加磁场实验装置：一对电磁线圈产生驱动磁场Ba； 中间螺线管产生加热磁场Bh； b) 悬臂弯曲和形状锁定； c) Ba 和 Bh 的磁场分布以及光束偏转和相对温度随时间的变化； d) 锁定曲梁，其重量（23 g）是其自身重量（0.36 g）的 64 倍； e）四臂M-SMP夹具（0.47 g）的设计和磁化曲线； f, g) M-SMP 夹具举起铅球 (23 g)，不带 (f) 和带 (g) 形状锁；
比例尺：(a)：15 毫米； (b、d、g)：5 毫米。
图 12. M-SMP 的顺序驱动及其在数字逻辑电路中的应用。 a）具有不同Fe3O4负载量的三种M-SMP的温度和相应的杨氏模量； b) 使用P5-15和P25-15进行花状结构的设计和磁化； c) 驱动M-SMP随时间的磁场分布（Ba和Bh）和序列偏转； d) 顺序形状变换和形状锁定； e) D锁真值表； f) M-SMP D-latch 逻辑示意图，其中两个磁场（Ba 和 Bh）表示为输入，LED 状态表示为输出； g) Bh与D锁存器的使能输入E之间的关系； h) 使用具有不同Fe3O4负载的M-SMP（P5-15、P15-15和P25-15）设计时序逻辑电路； i) 具有三步和输出的时序逻辑电路的磁控制； j) LED 指示四种不同的输出状态。 (d) 和 (j) 中的比例尺：5 毫米。
本文由小毅投稿。
