智能高分子材料在医学监控中的研究进展

孙 菁，熊发强，邓汝辉，陶雅娴，陈兴刚

（华北理工大学材料科学与工程学院，河北 唐山 063210）

0 前言

在历史的长河中，监控技术在各个年代中无处不在。随着计算机的产生和功能完善，利用传感器与电脑相连，再通过信号放大与变换装置将各种信息转变为电信号，从而实现对事物的实时监控［1］。现在传统监控技术已经无法满足人们的需求，尤其是在医学、航空航天这些高精尖的领域，需求促进发展，各种智能监控方法应运而生，在智能科技革命浪潮中，人们对智能的认识在不断的更新，随着智能技术的发展，许多人工很难办到的问题，可以通过智能的技术进行监控［2］。

21 世纪是科技高速发展的时代，人们对于生活品质提高的不断要求，也对科技进步提出了更高的要求，科技最突出的进步主要体现在医学方面。当下医学技术的高速发展主要得益于技术交融，即一些高新技术从原来的领域向医学科学交融，另外技术交融还体现在掌握专业技术的人才加入到医学科研队伍，加快了医学与其他学科的交叉融合和渗透［3］。其中对医学助益非常大的就是智能材料，运用智能材料可以解决以往很多的难题。使用工具是人类文明的开始，而更新工具是医学发展的加速器。

在医学领域使用的众多工具的应用中，智能高分子材料因其独特的优势发挥了很大的作用，本文将从光、力、声、电等方面对智能高分子材料进行详细介绍，并且对于智能高分子材料在医学领域的应用进行概述。

1 智能高分子材料概述

智能高分子材料，又称为智能聚合物材料，是指一类具有自主识别、自主感知、自主响应和自主控制等智能特性的高分子材料。这类材料可以对外界环境变化作出自适应性响应，具有广泛的潜在应用前景。按照材料的响应特性可以将智能高分子材料分为多种类型如光学感应材料、pH 响应材料、气敏材料、热致变形材料、形状记忆材料等［4］。这些材料的响应机制和性质不同，但都具有自适应性和智能性，可以应用于多个领域。智能高分子材料的应用领域非常广泛，包括医疗、环保、新能源、航空、军事、智能家居、智能交通等诸多领域。例如形状记忆材料可以用于医疗领域的支架和缝合线，热致变形材料可以用于自动调节温度的设备，光致变形材料可以用于光学调制器的制造，pH 响应材料可被用于生物传感器等领域［5］。未来，智能高分子材料的研发和应用前景非常广阔。随着技术的不断推进和应用场景的不断扩大，智能高分子材料还将进一步发挥它的智能性和适应性，为人类带来更多便利和改善生活品质的可能。本文将介绍如表1 所示智能高分子以及它们在医学监控领域的应用。

2 医学监控智能高分子材料

医学监控智能高分子材料是一种具有响应性和自适应性的高分子材料［6］，可以根据外部刺激，如：光、声、电、力学、热、磁等，发生可逆或不可逆的物理、化学和生物学变化，从而改变自身的形态、性能和功能，这种高分子材料通过有机和合成的方法，使无生命的有机材料变得似乎有了“感觉”和“知觉”［7］，可以应用于医学监控领域。本文从光、声、电、力等方面对智能高分子材料进行详细介绍。

2.1 光学监控

光学监控智能高分子材料是一种在外界光环境发生改变时，材料吸收外界光电子的频率和通量发生改变，进而造成材料化学结构及物理化学性能发生改变的一种智能材料［8］。光学监控智能高分子材料从监控结果上体现为受外界光源变化，材料变色、缩胀、变软变硬、密度变大变小、卷曲或伸直等等特征，进一步造成其电阻、化学与物理性质的改变。而如今应用较为广泛的光敏电阻，以及光传感器件，都是利用了上述的原理［9］。

在实现光学监控的这一应用中，光敏感或者光响应材料的研发与制造是尤为重要的［10］。光敏感材料的性能高低直接决定着其应用的检测精度［11］。基于此，有众多的科学家和研究学者进行了光敏感材料的研发。Liu 等［12］研制出了一种会“出汗”的光响应性指纹状液晶聚合物网络（LCNs）图层，这种材料引入了胆甾相液晶，在受到来自于涂层基板适当的垂直锚定力时，涂层表面上会形成了随机的特异性指纹形貌，在这基础上再加入小分子液晶和带有偶氮苯结构的单体，使得这种由液晶聚合物网络所构成的指纹状人造仿生涂层能在弱紫外光照射下发生各向异性形变［图1（a）］，调节聚合物中偶氮苯的比例，液体会在聚合物形成过程中发生不同程度的横向扩散，从而可以控制实现液体在紫外照射下从指纹脊X 线释放。Hamed等［13］使用具有固有光响应性和分子各向异性的单片液晶凝胶（LCG）模拟海洋无脊椎动物常见的运动模式［图1（b）］，这种光响应LCG 是以LC 弹性体（LCGs）为基体，运用极软的、具有低驱动温度的光敏LCG 来扩大LC 基材料的灵活性，得到的光响应液晶凝胶具有工程分子排列的LCG 结构物显示出低而急剧的相变温度，并且在光照经历相当大的密度降低，从而允许快速和可逆的形状化。通过选择性时空光照引起的局部变形，诱导出不同的水下运动模式，如爬行、行走、跳跃和游泳。

图1 智能高分子材料在光学监控领域的创新运用［12-13］Fig.1 Innovative application of intelligent polymer materials in the field of optical monitoring［12-13］

除了光学监控智能高分子材料中光刺激响应的智能高分子材料，还有刺激响应荧光变色的材料，这种材料在其他刺激下会发生荧光变色的光学变化。Lee等［14］发现了一种水致变色共轭聚合物。该聚合物通过在超分子组装的聚二乙炔中引入吸湿元件，得到能够对水快速响应的变色共轭聚合物。将这种聚合物用于构建指尖活跃汗液毛孔的精确地图，手印沉积在吸湿性聚二胺酮（PDA）薄膜上导致水促进比色反应，汗液毛孔分泌的极少量水就足以促进聚合物的瞬时的蓝到红比色转变，显示出人体汗液毛孔排布。Pyo等［14］发现了一种水致荧光的复合薄膜。该复合薄膜是由对水敏感的荧光素和亲水性基质聚合物［即聚乙烯吡咯烷酮（PVP）］组成的体系。荧光素在含水与干燥环境下具有可逆转变［图2（a）］，包括闭合环的螺旋内酯和打开环的荧光酮形式的相互转化，在水的存在下，由亲水性PVP 聚合物组成的基质捕获指尖汗孔分泌的少量水，有助于荧光素发出荧光，汗孔的荧光成像将成为可能。

图2 罗丹明衍生物的制备及荧光转变［14-15］Fig.2 Preparation and fluorescence transition of rhodamine derivatives［14-15］

刺激响应荧光变色智能监控智能高分子材料除了变色与荧光的单一响应，还具有双模式响应，该种显示方法相较于单一的显示有更广泛的应用。Haihong等［15］报道了一种新型的水响应变色染料，该染料为罗丹明类衍生物，制备方法为对罗丹明进行官能团改性，将其内酯结构转变为内酯酰胺结构［图2（b）］，并且通过改变取代基降低其敏感性，简化了合成工艺。当罗丹明的衍生物与固体酸作为显色层，加入水的量可以调节质子化程度，从而改变分子处于开环或过度质子化状态，从而调控材料的颜色与荧光有与无（on/off）之间的可逆变化，成功地实现了变色-荧光双模式显示［图2（c）］。将这种双模式显示的染料显色层与PLA复合，通过静电纺丝制的纳米纤维膜，该纳米纤维膜可以实现对水的监控，当接触水时，发生荧光-变色。

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2.2 力学监控

力学监控智能高分子材料是一种能够感知、测量、记录和分析物体所受到的力学作用以及物体的变形、应力和应变的材料［16］。这种材料能够通过其自身良好的形变与传感功能，将其受力大小、受力范围表征出来，便于更好的观察物体的力学性能和变形情况，从而实现对物体的控制和治疗。

为更全面的实现材料对力的监控，研究者不断地对力学监控智能高分子材料进行改良。Wu等［17］设计了一种无疲劳但完全可修复的混合离子传感材料［图3（a）］，该材料采用自愈弹性聚氨酯（PU）纳米网与超分子离子基质相结合［图3（b）］，设计了具有高模量比和匹配折射率的透明纳米纤维杂化离子皮肤。原有的离子传感器由于低能无定形聚合物链容易断裂且易产生裂纹扩展，导致其疲劳阈值低，新型混合离子传感器在这个方面有巨大改良，这种材料提供了2 950 J/m2的超高疲劳阈值同时保持皮肤般的顺应性、可拉伸性和应变自适应硬化反应，并且纳米纤维张力诱导的离子基体吸湿导致了创纪录的66.8 的应变传感应变系数，远远超过了以前的固有可拉伸离子导体。Wang 等［18］研究了一种形状记忆聚合物，该聚合物由纤维素纳米纤维（CNF）-聚氨酯（PU）形状记忆复合材料构成，这种纳米复合材料为水刺激响应型形状记忆材料，PU-CNF底层良好的形状记忆性能有助于表面柱状微结构在拉伸/恢复过程中可逆和重复地记忆和显示不同的排列方式，刚性CNF 在弹性PU 中的渗流网络通过水分子的解吸/吸收，导致复合材料模量的变化，并伴随形状固定和形状恢复，从而实现形状记忆。Han 等［19］通过简单的“造纸”工艺成功制备了具有双网络结构的胶原纤维-聚氨酯复合材料。这种纤维结构被水性PU 相互渗透，再利用胶原纤维和PU 弹性体基质的化学机械适应性，胶原纤维内部氢键的破坏和重组起到了“开关”的作用，实现了形状的变形和固定［图3（c）、（d）］。这种“开关”在水的刺激下打开，而PU 的弹性熵促进了形状的恢复，实现了高固形率（99 %）和高恢复率（＞90 %）的水响应形状记忆。

2.3 声学监控

声学监控技术最早是利用各波段声音的特殊性质，监控或影响周围的事物，传统声学监控是利用声波在水中的传播和反射特性，通过电声转换和信息处理进行导航和测距的技术，用于进行声呐探测。随着时代的发展利用声音监控环境已经不能满足人们的需求，新型智能声学监控出现在人们的生活中［20］。

周围的声音都是有特定的发声源，但是仅仅凭自我感知很难判断一些急促的和细微的声音，要判断声音方位就需要运用新型智能声学监控技术的声学监控智能高分子材料。Wei等［21］研究出了一种新型传感器，这种新型传感器是一种热拉伸复合压电纤维，能够将机械振动转化为电信号，并通过弹性体包层将机械应力集中在具有高压电电荷系数的压电复合材料层以提高纤维灵敏度。利用织物的声纤维编织技术将这种纤维嵌入织物中，当周围有声音发出，织物可判断声音的方向，对织物加大电压还能将微小的声音放大［图4（a）、（b）］。

图4 智能高分子材料在声学监控领域的前沿应用［21］Fig.4 Cutting-edge applications of intelligent polymer materials in the field of acoustic monitoring［21］

2.4 电流监控

电流监控智能高分子材料是根据材料周围或者材料内部电环境发生改变时，材料中的电流通量发生改变，引发材料末梢的传感器响应，从而监控外界环境发生的变化并作出反应［22］。电流检测是通过特定导电材料与材料末梢连接的传感器实现的，当发生电刺激或外界刺激引起电流变化时，传感器接收信号作出反应并反馈给材料。

电流检测材料在生活中随处可见，但这些都是普通的技术与材料，在更多的领域需要的是新型电流检测材料，这种新型材料的导电材料与传感器都有更高的要求。为了研制出更好的新型电流材料，研究者做出了许多尝试。Biswas 等［23］设计了一种能够捕捉外力并且通过导电金属将力转换为电信号的复合薄膜。该薄膜是由低模量添加固化的有机硅聚合物与室温下液态的高导电性金属［如共晶镓铟（EGaIn）或Galinstan］结合在一起。这种复合薄膜可以作为触觉传感阵列的薄膜，捕捉施加在其表面的应变或应力，将其转变为电学信息从而绘制出触觉图像［图5 （a）、（b）］。Shi 等［24］开发了一种由聚丙烯酸（PAA）与天然壳聚糖衍生的季铵盐（QCS）为基体的水凝胶聚合物，该水凝胶是通过在天然阳离子多糖中原位聚合亲水性阴离子单体，构建多功能仿生离子通道而设计的，聚丙烯酸（PAA）与QCS经过可逆离子缔合和氢键物理交联得到的。由于聚丙烯酸能够多重智能响应，其中电学性能最具优势，其可通过可逆离子缔合和氢键物理交联显现出优异的导电性、黏附性和可塑性，当外界产生干扰时，水凝胶将干扰转化为电信号进行分析。

图5 智能高分子材料在电学领域的精密研究［23］Fig.5 Precision research on intelligent polymer materials in the field of electricity［23］

2.5 其他监控

热效应监控智能高分子材料是具有温度敏感性能的高分子材料，它们可以通过内部的热效应监控系统实现对温度变化的感知和响应［25］。其中以一种特殊形状记忆聚合物为例，形状记忆聚合物（SMPs），如图4 所示为 SMPs 的形状记忆过程，这个过程可以分为两步：（1）形状的固定过程：SMPs 在外界环境的刺激下由初始形状变形固定转变为临时形状；（2）形状的恢复过程：临时形状在外界环境的影响下回复至初始形状［图6（a）、（b）］。其中，热致SMPs可以在T＞Ttrans 时恢复到其原始形状，是所有SMPs中最常见的一类［26］。

图6 智能高分子材料在热力学领域的研究进展Fig.6 Research progress of intelligent polymer materials in the field of thermodynamics

磁力监控智能高分子材料是一种利用磁性材料实现监控和控制的智能高分子材料。这种材料通常由磁性颗粒或纳米粒子以及高分子材料组成，通过外加磁场实现对材料的监控和控制。以磁性高分子微球为例进行介绍，磁性高分子微球是由磁性颗粒和聚合物复合而成的一种新型复合功能高分子材料。由于其兼具高分子材料的特性和无机纳米颗粒的磁响应性，更具有“在外加磁场下定向运动”的特殊性能，在靶向给药、生物化学、固定化酶、细胞分离、电磁屏蔽、磁共振造影、吸波材料、水处理等诸多领域展现出广阔的应用前景。磁性壳聚糖具有优异的生物相容性、生物降解性和无毒性，不会引起过敏和排斥反应，而且不会损害药物的磁性靶向性，可以作为有效的药物传递体系［27］。

3 智能高分子材料在医学监控方面的应用

智能高分子材料具有刺激响应的独特性质，使其在各个行业大放异彩，尤其是在医用领域，如人造皮肤、体内靶向药物运输、柔性机器人以及仿生学材料等。根据智能材料的发展趋势，将来的智能材料将会更大程度上应用于医学领域，解决当下还不成熟的许多医疗技术，像人体微创手术、人机交互、人体康复等［28］。智能高分子材料将会推动社会科技的发展，这种技术用于医学领域将改善人们的健康水平和生活质量。接下来将从智能生物传感器、组织修复材料、医用支架、药物释放系统这4个方面介绍智能高分子材料在医学方面的应用。

3.1 智能生物传感器

智能生物传感器是由可以响应生物体内的各种生理参数的智能高分子材料构成的，这种生物传感器具备实时监测和诊断功能，可以在疾病预防和治疗中发挥重要作用［29］。Su 等［30］研制出一种具有出色的综合机械传感性能并且能够对人体生理信号作出准确检测的纸基压力传感器，并将该传感器研制为可穿戴式。该传感器由MXene/细菌纤维素薄膜制得，其作为声音探测器，不仅可以通过监控喉咙肌肉的运动来识别不同的语音信号和声音属性，还可以像鼓膜一样，通过声音传输引起的气压波（也称为声波）来区分各种自然声音。此外，由于能够捕获和呈现声音信号，它在声音可视化技术中起着重要作用。Yoel等［21］研究出了一种可以判断声音方向的新型传感器，这种新型传感器在电压的作用下可以将织物变成麦克风和扬声器，用于双向通信、探测枪声方向，甚至能够监控怀孕期间胎儿的心跳。Zhang 等［12］研制出了一种可用作指纹状人造仿生涂层，模拟指尖出汗的指纹状液晶聚合物网络图层，这种传感器可以实现液体在紫外照射下从指纹脊线释放，从而模拟指尖出汗。Li 等［31］设计了一种具有细菌分析系统和抗生素检测系统的细菌相关危害检测生物传感器，这是一种具有超灵敏和高选择性的电化学生物传感器，将该生物传感器置于待测环境中，外源Cu2+首先被检测样品的病原菌捕获并还原为Cu+， Cu+随后作为催化剂触发CuAAC 反应，导致etrep 引发剂与传感界面连接。其次，将大量的二茂铁甲基丙烯酸甲酯（FMMA）电活性物质通过erap 接枝到电极表面，进行信号放大，为了进一步扩大生物传感器的适用性和通用性，补充了细菌磁分离部分。该生物传感器可以在复杂污染样品中特异性捕获和分离目标细菌，实现对特定菌株的出色选择性检测并同样适用于抗生素检测和耐药性分析。

智能生物传感器充分利用高分子材料的特性，如吸附、扩散、选择性结合、响应性等，实现对生物分子、离子或环境参数的检测和测量，在生理中，可以实时监测心率、血压、体温、血糖、血氧饱和度等生理参数，在环境监测中，它们可以检测水质、空气质量和土壤污染等指标。

3.2 智能组织修复材料

智能组织修复材料是可以响应组织内的化学、物理和生物学刺激，实现组织修复材料的自适应形变、降解和再生的一类智能高分子材料，这种智能组织修复材料可以在骨骼、软组织等损伤修复中发挥重要作用［32］。

Xue 等［33］制得一种能够更大程度上模拟天然皮肤的人造皮肤，该人造皮肤在受到外界力的作用下能够迅速回弹或者愈合，可以更好的感受周围环境的变化。这种人造皮肤在医疗领域可以用于治疗烧伤、创伤以及皮肤移植手术，加速受伤者的愈合过程，减轻痛苦。Han 等［19］通过简单的“造纸”工艺成功制备了一种水响应形状记忆的人造皮肤，这是一种新颖、简单和环保的制备工艺。Shan等［34］设计了一种用于按需治疗和实时报告感染伤口智能比色微针贴片（FNDs-MNs），这种智能比色微针贴片利用FNDs 的pH 依赖性过氧化物酶模拟活性，集成的MNs 可以在酸性条件下催化H2O2生成更多的·OH，从而杀死细菌，并且，这些FNDs-MNs 还具有pH 和H2O2依赖性的颜色变化，因此可以及时反映伤口修复和感染状态。FNDs-MNs 在有效的伤口感染管理方面具有巨大的潜力，并将在伤口护理中得到广泛的应用。智能组织修复材料具有生物相容性、生物降解性、细胞黏附性等特异性，可以与周围组织相互作用，促进组织的修复和再生，通常被用于医学领域，用于治疗损伤、缺损或疾病引起的组织损伤，在高分子智能组织修复材料中面临的最大的问题是生物相容性，高分子与生物体能够良好的结合并且后续不发生排异反应是我们要解决的首要问题。

3.3 智能医用支架

智能医用支架是可以通过响应血管内壁的变化，实现血管支架的自适应形变，从而避免支架移位或造成血管损伤的智能高分子材料。这些智能医用支架可以在受损组织中植入，提供支撑和促进组织的生长和修复［35］。

Chen 等［36］研发了一种配备微型传感器和无线接口的“智能”支架，这种支架能够通过植入支架持续监测，并且在狭窄条件下跟踪局部血流动力学变化（图7）。该血管“智能”支架是将压力传感器集成支架牢固地卷曲在球囊导管上，并通过鞘引导到狭窄部位，然后气球被充气，扩张并部署支架，将斑块推向动脉壁，扩大狭窄的血管，恢复正常的血液流动。放气和缩回球囊导管，使支架与集成传感器一起永久植入动脉。血管“智能”支架不仅具有典型的机械支架的功能，而且还具有电子感应或天线的功能，其设计和构造满足工程和临床要求，同时证明其与标准血管成形术程序的兼容性，有望极大地推动智能支架技术的临床应用。Wang等［18］研究了一种用于医用支架的水响应形状记忆聚合物，这种形状记忆聚合物可通过水分子的反复解吸/吸收形成/破坏实现优异的快速水触发形状记忆性能。在运用智能医用支架时，通常将其与药物共同植入体内，将药物涂覆在支架表层，让药物扩散入体内，增加治疗效果。

图7 智能支架的原理图及其功能［36］Fig.7 Schematic of the smart bracket and its functions［36］

3.4 智能药物释放系统

智能药物释放系统是由能够响应体内环境变化的智能高分子材料构成的，这种系统可以将药物释放到特定的位置和时间，从而提高药物的效果和减少不良反应［37］。

Liu 等［38］开发了一种具有光热性能、良好的力学性能、低爆发释放的药物持续释放能力、抗菌性能和生物相容性的智能多功能的复合水凝胶，该复合水凝胶是由包裹有氧化石墨烯（GO）的介孔聚多巴胺（MPDA）纳米颗粒物理交联在纤维素纳米原纤维（CNF）水凝胶中，得到的一种新型MPDA@GO/CNF复合水凝胶（图8），这种新型的MPDA@GO/CNF复合水凝胶具有氧化石墨烯可控释药和毒性屏蔽的包封结构，是一种非常有前景的可控给药载体，在化学和物理治疗中有潜在应用。Adam 等［39］将刺激响应矩阵应用于组织工程、细胞培养和创新药物传递系统（DDSs）技术，研制出一种刺激反应型智能水凝胶。这种创新的水凝胶DDSs 可作为靶向治疗的基质，提高肿瘤化疗的有效性，从而限制全身毒性，外部刺激敏感性允许远程控制药物释放剖面和凝胶形成，内部因素使药物在肿瘤组织中积累，降低了活性药物形式在健康组织中的浓度。Li等［40］研究了一种pH响应的药物传递系统，在肿瘤酸性环境（pH≈6.4）下，药物载体被破坏并导致其有效载荷的快速释放，实现定点输送药物。智能药物释放系统最重要的是其表面对某一特征的响应，根据不同运输点的环境，去设计药物释放系统的表面响应，以达到最佳的定点治疗效果。

图8 MPDA@GO/CNF复合水凝胶的制备及其通过多种刺激（pH变化和近红外光照射）的组合释放药物的机理示意图［38］Fig.8 Schematic diagram of the preparation of MPDA@GO/CNF complex hydrogels and their release of drugs by a combination of multiple stimuli （pH changes and near-infrared irradiation）［38］

4 结语

医学监控智能高分子材料已成为材料科学的一个重要研究领域，目前医学监控智能高分子材料受到当下科技水平的限制，在应用上仍然存在一些不足：（1）智能高分子材料要体现出良好的传感性能并且与人体有较好的亲和，其使用的材料需要像皮肤一样柔软，像皮肤一样可以拉伸，甚至可以自修复，可以生物降解，但是当下能够实现该种功能的材料十分稀少；（2）当材料问题解决后，为实现医学应用还需使材料能够感知到压力、温度等外界条件，目前高分子材料实现这些性能的条件较为苛刻，成本较高；（3）柔软的高分子材料传感器满足所需性能后，感知到的信号如何让大脑进行处理还是一个难题，若大脑不能处理这些信号的话，还是没有感觉不能实现医学应用，所以需要实现信号与人体相结合。随着科技的进步和医疗技术的提高，未来的医学监控智能高分子材料将会有更高的功能性和复杂性、更大的可塑性和可适应性、更强的生物相容性和生物适应性、更广泛的应用范围，能够实现更高级别的监控，解决当下面临的难题。总之，医用监控智能高分子材料的发展趋势是多样化、可适应性强、生物相容性高、应用范围广泛、智能化程度高，为医疗事业提供更大的助益。