热响应膜和氢凝胶是一类先进的智能载体和分离器，由于它们能够根据温度变化改变物理性质而受到越来越多的关注（Liu等人，2024b）。这些智能膜或氢凝胶主要由热响应聚合物制成，例如聚(N-异丙基丙烯酰胺)（PNIPAM），它们在特定温度下会经历从亲水到疏水的可逆转变，这些温度被称为下临界溶解温度（LCST）或上临界溶解温度（UCST）（Huang等人，2021）。这种智能聚合物的特性使它们适用于过滤和生物医学应用中的膜和氢凝胶（Luo等人，2023）。热响应行为背后的机制涉及温度诱导的相变。例如，PNIPAM的LCST约为32°C（Chee等人，2001）。在该温度以下，聚合物链处于水合状态并伸展，形成膨胀的亲水网络，允许分子通过。当温度超过LCST时，聚合物链脱水并收缩，形成致密的疏水结构。UCST膜的行为则相反：当温度低于UCST时，聚合物收缩并变得不那么亲水（Kojima等人，2022）。实际上，LCST时的膨胀状态发生在温度下降时，而UCST聚合物则在温度上升时膨胀（如图1所示）。这种可逆转变受聚合物的化学组成、分子量及共聚物的影响，可以通过调整这些因素来实现所需的膜性能。在热响应膜中，这种行为的聚合物被集成到多孔膜结构中（例如作为填充物或衬里）。聚合物的膨胀状态与收缩状态直接改变了膜的有效孔径和渗透性。在LCST以下（冷状态）或UCST以上（热状态），聚合物网络处于水合和膨胀状态，显著缩小或关闭孔隙。在这种状态下（有时称为“关闭”状态或关闭的阀门），膜强烈抵抗流动，可以通过填充孔隙完全阻止大分子的通过（Uredat等人，2024）。如图1所示，大分子如蛋白质或药物纳米颗粒无法穿透膨胀的聚合物塞，而被有效阻挡。然而，小分子仍可以通过含水聚合物网状结构扩散，因为网络中含有大量水分。因此，即使聚合物膨胀，水和气体仍可以在一定程度上渗透，而较大分子则被筛除。在LCST以上（热状态）或UCST以下（冷状态），聚合物收缩并从孔隙空间退缩，打开膜孔隙。这通常被称为“开启”状态或开放的阀门，工程膜切换到高渗透性状态。在收缩状态下，聚合物链的构象紧凑，经常在孔壁上聚集，形成更宽的开放通道。在这种状态下，即使是大分子（如图1中的绿色药物颗粒）也能自由通过孔隙（Iwasaki等人，2022）。换句话说，将温度升高到LCST以上会显著增加膜的渗透性，从而实现通量的突增。例如，一项实验研究表明，将基于PNIPAM的阀门从20°C加热到40°C（超过其LCST）时，水流速率增加了10倍以上（Ding等人，2022）。这种根据温度“打开”和“关闭”孔隙的能力通常被称为正向门控（如LCST聚合物的情况）。
热响应膜和氢凝胶的制造涉及多种技术，每种技术都对最终膜的属性有所贡献。相转化是一种常用的膜制造方法，即将聚合物溶液铸成薄膜并浸入非溶剂中；而自由基聚合（通常随后进行物理或化学交联）是制造热响应氢凝胶的标准技术（Sikdar等人，2021）。静电纺丝是另一种技术，通过向聚合物溶液施加高电压来生产纤维膜，通过调整纺丝参数和环境温度可以精细调节纤维直径和孔隙率（Li等人，2023b）。接枝技术涉及将热响应聚合物附着到现有膜表面，特别适用于修改商用膜以赋予温度敏感性能（Shimura等人，2020）。
热响应膜的潜在应用非常广泛。在水和废水处理领域，这些膜可以根据温度变化选择性地过滤污染物。这种可调的过滤能力特别有利于去除有机污染物、重金属和在膜表面引起污染的微生物（Wang等人，2022a）。在生物医学应用中，热响应膜和氢凝胶用于可控药物释放系统，通过体温调节治疗剂的释放，确保靶向和持续释放（Dastidar和Chakrabarti，2019）。在正常生理温度（37°C，高于LCST的32°C）下，聚合物保持收缩状态，孔隙保持开放，允许治疗分子释放。在低于LCST的温度下，聚合物膨胀并减缓或停止药物释放。这有助于设计一种在体温下保持关闭的药物储库，然后在局部加热（例如通过外部加热或发热）时释放药物。这种按需药物释放是通过聚合物网络在转变温度下的显著体积变化实现的（Ward和Georgiou，2011）。另一种生物医学用途是微流控阀门和生物传感器。Iwasaki等人报告称，在基于纸张的微流控通道中接枝PNIPAM后，创建了一个热响应阀门：在32°C以下，膨胀的聚合物完全阻止流体流动；在32°C以上则收缩以打开通道（Iwasaki等人，2022）。这样的阀门可以在无需电驱动器的实验室芯片设备中自主调节流量，只需局部加热即可。这些膜还用于开发能够根据温度变化调整物理特性的组织支架，促进更好的组织整合和愈合。最近的报告证实了热响应材料在提高药物释放系统和组织工程应用中的精确性、减少副作用和改善患者结果方面的潜力，这将在相关部分详细讨论。
尽管具有显著优势，但要充分发挥热响应膜和氢凝胶的潜力，仍需解决几个挑战。在多次温度变化循环中保持一致的性能是一个关键问题，因为反复的转变可能会影响膜的结构完整性和功能性（Mocan等人，2018）。制造过程的可扩展性也是一个挑战，因为在大规模生产的同时保持其响应性能既复杂又昂贵（Xu等人，2022b）。对于膜应用中的热响应材料而言，另一个主要挑战是实现适当的制备技术。确保膜表面具有适当的疏水性并均匀分布这些材料仍然是其发展的一个重大障碍（Li等人，2019）。许多热响应聚合物的长期安全性数据仍然有限，尤其是那些可能降解为潜在有害副产品的聚合物。此外，与专用聚合物和复杂制造技术相关的高生产成本可能限制其广泛应用。
为了更深入地了解上述挑战，本综述全面研究了热响应膜和氢凝胶，以评估热响应材料在推进膜和氢凝胶技术方面的潜力。本文广泛回顾了当前涉及热响应材料的应用，并识别和讨论了现有的知识空白，以突出未来研究中需要关注的关键方向，以进一步提高热响应膜和氢凝胶在相关应用中的性能和有效性。与以往的综述不同，本文提供了将LCST-UCST聚合物链热力学与膜-氢凝胶尺度门控行为以及设备级性能指标联系起来的综合分析。特别强调了成本效益高的自清洁行为、长期循环稳定性以及热响应系统在生物医学和水处理应用中的实际部署能力。预计本文的发现将为膜领域提供对这些材料的更好理解，使其在该领域得到更有效的应用。
