Умный неорганический полимер

Умные неорганические полимеры (SIP) — это гибридные или полностью неорганические полимеры с настраиваемыми ( «умными» ) свойствами, такими как физические свойства, реагирующие на раздражители (форма, проводимость, реология , биологическая активность, самовосстановление, чувствительность и т. д.). ^{[ 1 ]} Хотя органические полимеры часто производятся на основе бензина, основа SIP состоит из элементов, отличных от углерода, что может снизить нагрузку на дефицитные невозобновляемые ресурсы и обеспечить более устойчивые альтернативы. Общие основные цепи, используемые в SIP, включают полисилоксаны , полифосфаты и полифосфазены , и это лишь некоторые из них.

SIP имеют потенциал широкого применения в различных областях: от доставки лекарств и регенерации тканей до покрытий и электроники. ^{[ 2 ]}^{[ 3 ]} По сравнению с органическими полимерами неорганические полимеры в целом обладают улучшенными характеристиками и экологической совместимостью (нет необходимости в пластификаторах , обладают огнестойкими свойствами). Уникальные свойства различных SIP могут дополнительно сделать их полезными в широком спектре технологически новых применений, таких как твердые полимерные электролиты для бытовой электроники, молекулярная электроника с неметаллическими элементами для замены проводников на основе металлов, электрохромные материалы, самовосстанавливающиеся покрытия. , биосенсоры и самособирающиеся материалы. ^{[ 1 ]}

Роль действия COST CM1302

COST action 1302 — это инициатива исследовательской сети Европейского сообщества «Сотрудничество в науке и технологиях», которая поддержала 62 научных проекта в области «умных» неорганических полимеров, результатом чего стало 70 публикаций в период с 2014 по 2018 год, с целью создания основы для рационального проектирования. новые умные неорганические полимеры. ^{[ 4 ]}^{[ 5 ]} Это составляет значительную долю от общего объема работ по SIP. ^{[ 1 ]} Результаты этой работы рассмотрены в книге 2019 года « Умные неорганические полимеры: синтез, свойства и новые применения в материалах и науках о жизни». ^{[ 4 ]}

Умные полисилоксаны

Полисилоксан , широко известный как силикон, является наиболее распространенным коммерчески доступным неорганическим полимером. ^{[ 1 ]} Большой объем существующих работ по полисилоксану сделал его легкодоступной платформой для функционализации для создания интеллектуальных полимеров, при этом сообщается о различных подходах, которые обычно сосредоточены вокруг добавления оксидов металлов к коммерчески доступному полисилоксану или включению функциональных боковых цепей. на полисилоксановом остове. Области применения умных полисилоксанов сильно различаются: от доставки лекарств до умных покрытий и электрохромии.

Доставка лекарств

синтезе полисилоксанов, чувствительных к интеллектуальным стимулам, путем добавления полисилоксанамина к α,β-ненасыщенному карбонилу посредством присоединения аза-Михаэля с образованием полисилоксана с боковыми цепями N-изопропиламида. Сообщалось о ^{[ 6 ]} Было показано, что этот полисилоксан способен нагружать ибупрофен ( гидрофобный НПВП ), а затем высвобождать его в ответ на изменения температуры, что показывает, что он является многообещающим кандидатом для эффективной доставки гидрофобных лекарств. ^{[ 6 ]} Это действие было объяснено способностью полимера удерживать ибупрофен выше нижней критической температуры растворения ( НКТР ) и, наоборот, растворяться ниже НКТР, таким образом высвобождая загруженный ибупрофен при заданной, известной температуре.

Покрытия

Коммерческие полисилоксановые покрытия легко доступны и способны защищать поверхности от вредных загрязняющих веществ, но добавление TiO ₂ дает им разумную способность разлагать загрязняющие вещества, прилипшие к их поверхности, в присутствии солнечного света. ^{[ 7 ]} Именно это явление перспективно в области охраны памятников. Сообщалось , что аналогичные гибридные текстильные покрытия, изготовленные из аминофункционализированного полисилоксана с TiO ₂ и наночастицами серебра, обладают отличными грязеотталкивающими, но при этом гидрофильными свойствами, что делает их уникальными по сравнению с типичными гидрофобными грязеотталкивающими покрытиями. ^{[ 8 ]} Об интеллектуальных свойствах также сообщалось для полисилоксановых покрытий без оксидов металлов, а именно покрытия из полисилоксана/ полиэтиленимина, предназначенного для защиты магния от коррозии, которое, как было обнаружено, способно к самозаживлению небольших царапин. ^{[ 9 ]}

Поли-(ε-капролактон)/силоксан

Поли-(ε-капролактон)/силоксан представляет собой неорганически-органический гибридный материал, который при использовании в качестве твердой электролитной матрицы с электролитом из перхлората лития, соединенным с пленкой W ₂ O ₃ , реагирует на изменение электрического потенциала изменением прозрачности. . ^{[ 10 ]} Это делает его потенциально полезным электрохромным умным стеклом.

Умные фосфорные полимеры

Существует значительное количество фосфорных полимеров с основными цепями, варьирующимися от преимущественно фосфорных до преимущественно органических с субъединицами фосфора. Было показано, что некоторые из них обладают интеллектуальными свойствами и представляют большой интерес из-за биосовместимости фосфора для биологических применений, таких как доставка лекарств, тканевая инженерия и восстановление тканей. ^{[ 11 ]}^{[ 12 ]}

Полифосфаты

Полифосфат (PolyP) представляет собой неорганический полимер, состоящий из фосфатных субъединиц. Обычно он существует в депротонированной форме и может образовывать соли с физиологическими катионами металлов, такими как Ca. ²⁺, сэр ²⁺и мг ²⁺. ^{[ 11 ]} При добавлении соли к этим металлам он может избирательно вызывать регенерацию костей (Ca-PolyP), упрочнение костей (Sr-PolyP) или регенерацию хряща (Mg-PolyP) в зависимости от металла, с которым он посолен. ^{[ 11 ]} Эта умная способность ослаблять регенерацию тканей в ответ на катионы различных металлов делает его перспективным полимером для биомедицинских применений.

Полифосфазены

Полифосфазен — неорганический полимер с основной цепью, состоящей из фосфора и азота, который также может образовывать неорганически-органические гибридные полимеры с добавлением органических заместителей. Некоторые полифосфазены были разработаны путем добавления боковых цепей сложных эфиров аминокислот таким образом, что их LCST имеет температуру, близкую к температуре тела, и, таким образом, они могут образовывать гель in situ при инъекции человеку, что делает их потенциально полезными для доставки лекарств. ^{[ 12 ]} Они биоразлагаются до смеси фосфатов и аммиака с почти нейтральным pH, которая, как было доказано, нетоксична, а скорость их биоразложения можно регулировать добавлением различных заместителей: от полного разложения в течение нескольких дней с производными глицерина до биостабильных с помощью фторалкокси-заместители. ^{[ 12 ]}

Поли-ПроДОТ-Ме ₂

Poly-ProDOT-Me ₂ представляет собой неорганически-органический гибридный полимер на основе фосфора, который в сочетании с пленкой V ₂ O ₅ образует материал, меняющий цвет при приложении электрического тока. Это «умное стекло» способно уменьшить светопропускание с 57% до 28% менее чем за 1 секунду, что гораздо быстрее, чем у имеющихся в продаже фотохромных линз . ^{[ 13 ]}

Умные металлоиды и металлосодержащие полимеры

Хотя металлы обычно не связаны с полимерными структурами, включение атомов металлов либо по всей основной цепи, либо в виде подвесных структур на полимере может обеспечить уникальные интеллектуальные свойства, особенно в отношении их окислительно-восстановительных и электронных свойств. ^{[ 14 ]} Эти желательные свойства могут варьироваться от самовосстановления в результате окисления до чувствительности и самосборки интеллектуального материала, как обсуждается ниже.

Полистаннаны

Полистаннан , уникальный класс полимеров с оловянной основой, является единственным известным полимером, имеющим полностью металлоорганическую основу. ^{[ 15 ]} Он особенно уникален тем, что проводящая оловянная основная цепь окружена органическими заместителями, благодаря чему она действует как изолированный провод атомного масштаба. Некоторые полистаннаны, такие как (SnBu ₂ ) _n и (SnOct ₂ ) _n, продемонстрировали умную способность согласовываться с внешними стимулами, что может сделать их полезными для пикоэлектроники. ^{[ 16 ]} Однако полистаннан очень нестабилен к свету, поэтому любое подобное продвижение потребует метода его стабилизации от световой деградации. ^{[ 16 ]}

Икосаэдрические полимеры бора

Икосаэдрический бор — это геометрически необычный аллотроп бора , который может быть либо добавлен в качестве боковых цепей к полимеру, либо сополимеризован в основную цепь. Было показано, что икосаэдрические боковые цепи бора на полипирроле позволяют полипирролу самовосстанавливаться при переокислении, поскольку икосаэдрический бор действует как легирующий агент, позволяя обратить вспять переокисление. ^{[ 17 ]}

Полиферроценилсилан

Полиферроценилсиланы представляют собой группу обычных кремнийорганических металлополимеров с основной цепью, состоящей из кремния и ферроцена. ^{[ 14 ]} Было обнаружено, что варианты полиферроцеилсиланов демонстрируют интеллектуальную самосборку в ответ на окисление и последующую интеллектуальную саморазборку при восстановлении, а также варианты, которые могут реагировать на электрохимическую стимуляцию. ^{[ 14 ]} Одним из таких примеров является тонкая пленка неорганического-органического гибридного сополимера полистирола-полиферроценилсилана, который, как было обнаружено, способен адсорбировать и высвобождать ферритин при приложении электрического потенциала. ^{[ 18 ]}

Биозондирование ферроцена

Сообщается, что ряд ферроцен-органических неорганических-органических гибридных полимеров обладают умными свойствами, которые делают их полезными для применения в биосенсорстве. ^{[ 19 ]} Множественные полимеры с ферроценовыми боковыми цепями, сшитыми глюкозооксидазой, продемонстрировали окислительную активность, которая приводит к образованию электрического потенциала в присутствии глюкозы, что делает их полезными в качестве биосенсоров глюкозы. ^{[ 20 ]} Этот вид активности не ограничивается глюкозой, поскольку другие ферменты могут быть сшиты, чтобы обеспечить обнаружение соответствующих им молекул, например, композит поли(винилферроцен)/карбоксилированные многостенные углеродные нанотрубки/желатин, который был связан с уриказой, что придавало ей способность действуют как биосенсор мочевой кислоты. ^{[ 21 ]}

См. также

Ссылки

^ Jump up to: ^а ^б ^с ^д Каминад А.М., Эй-Хокинс Э., Манеры I (сентябрь 2016 г.). «Умные неорганические полимеры» (PDF) . Обзоры химического общества . 45 (19): 5144–5146. дои : 10.1039/C6CS90086K . hdl : 1983/fa23f129-4bb2-4ecb-9481-5eebcb199e43 . ПМИД 27711697 .
^ Чиверс Т., Манеры I (2009). Неорганические кольца и полимеры элементов p-блока . Кембридж, Великобритания: Издательство RSC. ISBN 978-1-84755-906-7 .
^ Баумгартнер Т., Якле Ф (2018). Основная стратегия группы в отношении функциональных гибридных материалов . Уайли. ISBN 978-1-119-23597-2 .
^ Jump up to: ^а ^б Эй-Хокинс Э., Хисслер М., ред. (апрель 2019 г.). Умные неорганические полимеры: синтез, свойства и новые применения в материалах и науках о жизни . Уайли. ISBN 978-3-527-34484-0 .
^ «СТОИМОСТЬ ДЕЙСТВИЯ СМ 1302» . Европейская сеть по интеллектуальным неорганическим полимерам (SIP) – STSMs- . Проверено 9 мая 2019 г.
^ Jump up to: ^а ^б Ли С, Фэн С (2016). «Высокочувствительный полисилоксан, реагирующий на стимулы, синтезированный путем добавления аза-Майкла без катализатора для загрузки ибупрофена и контролируемого высвобождения». РСК Прогресс . 6 (101): 99414–99421. дои : 10.1039/C6RA20568B .
^ Каппеллетти Дж. (2015). «Умные гибридные покрытия для консервации природного камня». Прогресс в области органических покрытий . 78 : 511–516. doi : 10.1016/j.porgcoat.2014.05.029 .
^ Дастьерди Р., Монтазер М., Стегмайер Т., Могадам М.Б. (март 2012 г.). «Умная, динамическая, самоиндуцируемая, ориентируемая наношероховатость разного размера с амфифильными свойствами в виде грязеотталкивающей гидрофильной поверхности». Коллоиды и поверхности. Б. Биоинтерфейсы . 91 : 280–90. дои : 10.1016/j.colsurfb.2011.11.015 . ПМИД 22138117 .
^ Чжао Ю, Ши Л, Цзи Икс, Ли Дж, Хань З, Ли С, Цзэн Р, Чжан Ф, Ван З (сентябрь 2018 г.). «Коррозионная стойкость и антибактериальные свойства полисилоксанового модифицированного послойно собранного самовосстанавливающегося покрытия на магниевом сплаве». Журнал коллоидной и интерфейсной науки . 526 : 43–50. Бибкод : 2018JCIS..526...43Z . дои : 10.1016/j.jcis.2018.04.071 . ПМИД 29715614 .
^ Родригес LC (2012). «Поли(Ώ-капролактон)/силоксановые биогибриды с применением в «умных окнах» ». Синтетические металлы . 161 : 2682–2687. дои : 10.1016/j.synthmet.2011.09.043 . hdl : 1822/13824 .
^ Jump up to: ^а ^б ^с Ван X, Шредер ХК, Мюллер ВЕ (2018). «Аморфный полифосфат, интеллектуальный биоинспирированный нано-/биоматериал для регенерации костей и хрящей: к новой парадигме в тканевой инженерии» . Журнал химии материалов Б. 6 (16): 2385–2412. дои : 10.1039/C8TB00241J . ПМИД 32254456 .
^ Jump up to: ^а ^б ^с Ротемунд С., Тисдейл I (октябрь 2016 г.). «Получение полифосфазенов: обзор учебного пособия» . Обзоры химического общества . 45 (19): 5200–15. дои : 10.1039/C6CS00340K . ПМК 5048340 . ПМИД 27314867 .
^ Ма С, Тая М, Сюй С (2008). «Умные солнцезащитные очки на основе электрохромных полимеров». Полимерная инженерия и наука . 48 (11): 2224–2228. дои : 10.1002/pen.21169 .
^ Jump up to: ^а ^б ^с Хейлз Р.Л., Оливер А.М., Гвитер Дж., Уиттел Г.Р., Маннерс I (октябрь 2016 г.). «Полиферроценилсиланы: синтез, свойства и применение» (PDF) . Обзоры химического общества . 45 (19): 5358–407. дои : 10.1039/C6CS00155F . hdl : 1983/02c9c1b8-8477-41e3-b9d7-c184785fc9ae . ПМИД 27348354 .
^ Каминад А.М., Эй-Хокинс Э., Манеры I (сентябрь 2016 г.). «Умные неорганические полимеры» (PDF) . Обзоры химического общества . 45 (19): 5144–5146. дои : 10.1039/C6CS90086K . hdl : 1983/fa23f129-4bb2-4ecb-9481-5eebcb199e43 . ПМИД 27711697 .
^ Jump up to: ^а ^б Казери В (октябрь 2016 г.). «Полистаннаны: обрабатываемые молекулярные металлы с определенной химической структурой». Обзоры химического общества . 45 (19): 5187–99. дои : 10.1039/C6CS00168H . ПМИД 27072831 .
^ Нуньес Р., Ромеро И., Тейксидор Ф., Виньяс К. (октябрь 2016 г.). «Икосаэдрические кластеры бора: идеальный инструмент для улучшения свойств полимеров» . Обзоры химического общества . 45 (19): 5147–73. дои : 10.1039/C6CS00159A . hdl : 10256/12913 . ПМИД 27188393 .
^ Элой Дж.К., Джонс С.Э., Пур В., Окуда М., Гвитер Дж., Шварцахер В. (07.08.2012). «Электрохимически вызванная селективная адсорбция биошаблонных наночастиц на тонких пленках самоорганизующихся металлоорганических диблок-сополимеров». Передовые функциональные материалы . 22 (15): 3273–3278. дои : 10.1002/adfm.201200210 .
^ Ян Ю, Чжан Дж, Рен Л, Тан С (октябрь 2016 г.). «Металлосодержащие и родственные полимеры для биомедицинского применения» . Обзоры химического общества . 45 (19): 5232–63. дои : 10.1039/C6CS00026F . ПМЦ 4996776 . ПМИД 26910408 .
^ Дэн Х., Шен В., Гао З. (20 июня 2012 г.). «Синтез водорастворимых и сшиваемых ферроценил-редокс-полимеров для использования в качестве медиаторов в биосенсорах». Датчики и исполнительные механизмы B: Химические вещества . 168 : 238–242. дои : 10.1016/j.snb.2012.04.014 .
^ Эрден П.Е., Качар С., Озтюрк Ф., Кылыч Э. (март 2015 г.). «Амперометрический биосенсор мочевой кислоты на основе поли(винилферроцен)-желатин-карбоксилированного многостенных углеродных нанотрубок, модифицированного стеклоуглеродным электродом». Таланта . 134 : 488–495. дои : 10.1016/j.talanta.2014.11.058 . ПМИД 25618698 .

[:0-1] Jump up to: ^а ^б ^с ^д Каминад А.М., Эй-Хокинс Э., Манеры I (сентябрь 2016 г.). «Умные неорганические полимеры» (PDF) . Обзоры химического общества . 45 (19): 5144–5146. дои : 10.1039/C6CS90086K . hdl : 1983/fa23f129-4bb2-4ecb-9481-5eebcb199e43 . ПМИД 27711697 .

[2] Чиверс Т., Манеры I (2009). Неорганические кольца и полимеры элементов p-блока . Кембридж, Великобритания: Издательство RSC. ISBN 978-1-84755-906-7 .

[3] Баумгартнер Т., Якле Ф (2018). Основная стратегия группы в отношении функциональных гибридных материалов . Уайли. ISBN 978-1-119-23597-2 .

[:4-4] Jump up to: ^а ^б Эй-Хокинс Э., Хисслер М., ред. (апрель 2019 г.). Умные неорганические полимеры: синтез, свойства и новые применения в материалах и науках о жизни . Уайли. ISBN 978-3-527-34484-0 .

[5] «СТОИМОСТЬ ДЕЙСТВИЯ СМ 1302» . Европейская сеть по интеллектуальным неорганическим полимерам (SIP) – STSMs- . Проверено 9 мая 2019 г.

[:1-6] Jump up to: ^а ^б Ли С, Фэн С (2016). «Высокочувствительный полисилоксан, реагирующий на стимулы, синтезированный путем добавления аза-Майкла без катализатора для загрузки ибупрофена и контролируемого высвобождения». РСК Прогресс . 6 (101): 99414–99421. дои : 10.1039/C6RA20568B .

[7] Каппеллетти Дж. (2015). «Умные гибридные покрытия для консервации природного камня». Прогресс в области органических покрытий . 78 : 511–516. doi : 10.1016/j.porgcoat.2014.05.029 .

[8] Дастьерди Р., Монтазер М., Стегмайер Т., Могадам М.Б. (март 2012 г.). «Умная, динамическая, самоиндуцируемая, ориентируемая наношероховатость разного размера с амфифильными свойствами в виде грязеотталкивающей гидрофильной поверхности». Коллоиды и поверхности. Б. Биоинтерфейсы . 91 : 280–90. дои : 10.1016/j.colsurfb.2011.11.015 . ПМИД 22138117 .

[9] Чжао Ю, Ши Л, Цзи Икс, Ли Дж, Хань З, Ли С, Цзэн Р, Чжан Ф, Ван З (сентябрь 2018 г.). «Коррозионная стойкость и антибактериальные свойства полисилоксанового модифицированного послойно собранного самовосстанавливающегося покрытия на магниевом сплаве». Журнал коллоидной и интерфейсной науки . 526 : 43–50. Бибкод : 2018JCIS..526...43Z . дои : 10.1016/j.jcis.2018.04.071 . ПМИД 29715614 .

[10] Родригес LC (2012). «Поли(Ώ-капролактон)/силоксановые биогибриды с применением в «умных окнах» ». Синтетические металлы . 161 : 2682–2687. дои : 10.1016/j.synthmet.2011.09.043 . hdl : 1822/13824 .

[:2-11] Jump up to: ^а ^б ^с Ван X, Шредер ХК, Мюллер ВЕ (2018). «Аморфный полифосфат, интеллектуальный биоинспирированный нано-/биоматериал для регенерации костей и хрящей: к новой парадигме в тканевой инженерии» . Журнал химии материалов Б. 6 (16): 2385–2412. дои : 10.1039/C8TB00241J . ПМИД 32254456 .

[:3-12] Jump up to: ^а ^б ^с Ротемунд С., Тисдейл I (октябрь 2016 г.). «Получение полифосфазенов: обзор учебного пособия» . Обзоры химического общества . 45 (19): 5200–15. дои : 10.1039/C6CS00340K . ПМК 5048340 . ПМИД 27314867 .

[13] Ма С, Тая М, Сюй С (2008). «Умные солнцезащитные очки на основе электрохромных полимеров». Полимерная инженерия и наука . 48 (11): 2224–2228. дои : 10.1002/pen.21169 .

[:6-14] Jump up to: ^а ^б ^с Хейлз Р.Л., Оливер А.М., Гвитер Дж., Уиттел Г.Р., Маннерс I (октябрь 2016 г.). «Полиферроценилсиланы: синтез, свойства и применение» (PDF) . Обзоры химического общества . 45 (19): 5358–407. дои : 10.1039/C6CS00155F . hdl : 1983/02c9c1b8-8477-41e3-b9d7-c184785fc9ae . ПМИД 27348354 .

[:02-15] Каминад А.М., Эй-Хокинс Э., Манеры I (сентябрь 2016 г.). «Умные неорганические полимеры» (PDF) . Обзоры химического общества . 45 (19): 5144–5146. дои : 10.1039/C6CS90086K . hdl : 1983/fa23f129-4bb2-4ecb-9481-5eebcb199e43 . ПМИД 27711697 .

[:5-16] Jump up to: ^а ^б Казери В (октябрь 2016 г.). «Полистаннаны: обрабатываемые молекулярные металлы с определенной химической структурой». Обзоры химического общества . 45 (19): 5187–99. дои : 10.1039/C6CS00168H . ПМИД 27072831 .

[17] Нуньес Р., Ромеро И., Тейксидор Ф., Виньяс К. (октябрь 2016 г.). «Икосаэдрические кластеры бора: идеальный инструмент для улучшения свойств полимеров» . Обзоры химического общества . 45 (19): 5147–73. дои : 10.1039/C6CS00159A . hdl : 10256/12913 . ПМИД 27188393 .

[18] Элой Дж.К., Джонс С.Э., Пур В., Окуда М., Гвитер Дж., Шварцахер В. (07.08.2012). «Электрохимически вызванная селективная адсорбция биошаблонных наночастиц на тонких пленках самоорганизующихся металлоорганических диблок-сополимеров». Передовые функциональные материалы . 22 (15): 3273–3278. дои : 10.1002/adfm.201200210 .

[19] Ян Ю, Чжан Дж, Рен Л, Тан С (октябрь 2016 г.). «Металлосодержащие и родственные полимеры для биомедицинского применения» . Обзоры химического общества . 45 (19): 5232–63. дои : 10.1039/C6CS00026F . ПМЦ 4996776 . ПМИД 26910408 .

[20] Дэн Х., Шен В., Гао З. (20 июня 2012 г.). «Синтез водорастворимых и сшиваемых ферроценил-редокс-полимеров для использования в качестве медиаторов в биосенсорах». Датчики и исполнительные механизмы B: Химические вещества . 168 : 238–242. дои : 10.1016/j.snb.2012.04.014 .

[21] Эрден П.Е., Качар С., Озтюрк Ф., Кылыч Э. (март 2015 г.). «Амперометрический биосенсор мочевой кислоты на основе поли(винилферроцен)-желатин-карбоксилированного многостенных углеродных нанотрубок, модифицированного стеклоуглеродным электродом». Таланта . 134 : 488–495. дои : 10.1016/j.talanta.2014.11.058 . ПМИД 25618698 .

[ 1 ]

[ 2 ]

[ 3 ]

[ 4 ]

[ 5 ]

[ 6 ]

[ 7 ]

[ 8 ]

[ 9 ]

[ 10 ]

[ 11 ]

[ 12 ]

[ 13 ]

[ 14 ]

[ 15 ]

[ 16 ]

[ 17 ]

[ 18 ]

[ 19 ]

[ 20 ]

[ 21 ]