智能聚合物微球（SPM）作為一類具有環境響應特性的先進功能材料，近年來因其精準的刺激響應能力和可調控的物理化學性質，在生物醫學、環境工程與智能材料領域展現出重要應用潛力。通過溫度、光、pH、磁場等外界刺激觸發物理或化學性質的轉變，從而實現功能的智能調控，賦予微球“按需響應”特性，其應用范圍從傳統的靶向藥物遞送可拓展至環境污染物清除、智能加密涂層、微納機器人制造等新興領域，成為多學科交叉創新的前沿載體（圖1）。
圖1.智能聚合物微球的制備、分類、響應類型及其應用
近日，哈爾濱工業大學冷勁松院士團隊在《ACS Nano》期刊上發表了題為“Smart Polymer Microspheres: Preparation, Microstructures, Stimuli-Responsive Properties, and Applications”的綜述論文，哈爾濱工業大學博士研究生郭濤、羅蘭副研究員為本文的共同第一作者，哈爾濱工業大學張風華研究員、冷勁松院士為本文的共同通訊作者。本綜述全面梳理了智能微球的“制備-結構-響應-應用”全鏈條研究框架，詳細介紹了智能微球的物理法（乳化溶劑揮發法、微流控、靜電噴涂等技術）與化學法（乳液聚合、種子溶脹、沉淀聚合等技術）制備工藝，深入探討了不同工藝對微球尺寸、微觀結構及表面功能的調控機理（圖2）。
圖2.聚合物微球的多種結構
基于智能聚合物微球的刺激響應多樣性，重點闡述了智能聚合物微球的響應方式：物理（溫度、磁場、光、機械）刺激響應智能聚合物微球、化學（Ph、離子）、生物（蛋白質、酶、葡萄糖）及多重刺激響應智能聚合物微球（圖3），分析了多重刺激協同響應的復合型微球設計策略。
圖3.物理刺激響應智能聚合物微球
智能聚合物微球以其獨特的刺激響應特性，在多個領域展現出重要應用價值。在生物醫學領域中，通過調控微球結構與響應機制，可實現“病灶定位-按需釋藥-組織再生”功能一體化（圖4-5）；在環境污染治理中通過離子響應可快速清除重金屬（圖6）；在信息加密領域開發光熱變色動態防偽技術；通過溫敏相變微球開發自修復防腐涂層（圖7），解決極端環境下材料老化問題。
圖4.智能聚合物微球在微納機器人領域中的應用以實現在體內的病灶定位
圖5.智能聚合物微球在組織工程領域中的應用
圖6.智能聚合物微球在環境污染治理領域中的應用
圖7.智能聚合物微球在智能涂層領域中的應用
智能聚合物微球憑借其微觀結構可編程性和環境響應特性，為材料科學、生物醫學與人工智能的交叉帶來創新范式。然而，該技術體系仍面臨著如下挑戰：規模化制備的批次穩定性、長期服役的生物相容性驗證以及環境降解行為的精準調控。研究前沿正不斷進行著技術迭代：通過發展綠色合成工藝以降低有機溶劑依賴性，構建閉環回收體系增強環境兼容性，以及引入仿生學原理構建具有自我反饋功能的新一代智能微球系統。展望未來，智能微球不僅可通過表面功能化修飾實現了分子識別與信號轉導的智能化躍遷，推動精準藥物遞送系統、仿生柔性傳感界面和微型能量存儲裝置等關鍵領域的技術突破，更可能通過跨尺度集成制造策略，推動材料體系完成從基礎研究到產業轉化的跨越式發展。
該項研究成果獲得了國家自然科學基金的大力支持。
課題組簡介：
冷勁松院士團隊長期從事于智能材料結構及其應用研究。在航天領域，研制了基于形狀記憶聚合物復合材料的可展開鉸鏈、桁架、重力梯度桿、天線、太陽能電池、離軌帆、鎖緊釋放機構等智能結構 (Chem. Eng. J., 2025, 505, 159558; Compos. Part A-Appl. S.,2024, 190, 108595; Chem. Eng. J., 2024, 489, 150956; Chem. Eng. J., 2023, 457, 141282; Small, 2023, 2307244; Sci. China. Technol. Sc., 2020, 63, 1436–1451; Smart Mater. Struct., 2022, 31, 025021; Compos. Struct., 2022, 280, 114918; Compos. Struct., 2022, 290, 115513)，可應用于各種衛星平臺、空間站、探月工程、深空探測工程等。設計制備了構型、力學性能可調節、可重構的拉脹力學超材料和像素力學超材料 (Adv. Funct. Mater., 2024, 34, 2408887; Adv. Funct. Mater., 2023, 34, 2316181; Adv. Funct. Mater., 2022, 32, 2107795)。在生物領域，基于形狀記憶聚合物等智能材料開發了多種智能生物支架和人工假體 (Adv. Funct. Mater., 2024, 34, 2402592; Adv. Funct. Mater. 2023, 34, 2312036; Adv. Fiber Mater., 2023, 5, 632-649; Research, 2023, 6, 0234; Biomaterials, 2022, 291, 121886; ACS Appl. Mater. Interfaces, 2022, 14, 42568-42577)。冷勁松院士團隊自主設計并研制的基于形狀記憶聚合物的中國國旗鎖緊展開機構，于2021年5月在天問一號上成功展開，使我國成為世界上首個將基于形狀記憶聚合物復合材料的智能結構應用于深空探測工程的國家 (Smart Mater. Struct., 2022, 31, 115008.)。
鏈接地址：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsnano.5c00998
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