從懷萍教授&俞書宏教授Nat. Commun.：各向異性的自愈合水凝膠具有多重響應致動能力

【引言】

生物體內的大多數組織通常具有各向異性的形貌和結構。水凝膠和生物體內的組織具有很多相似之處，常作為聚合物支架用于人造器官或者組織的開發。盡管通過超分子自組裝策略制備的各向異性的水凝膠具有定向的結構和面對外界刺激表現出各向異性的響應性，但它們的機械強度很差。生物組織的機械性能對于發揮其功能起到關鍵作用。除此之外，生物組織的自愈合能力和它們的生命力緊密相關。因此，迫切需要開發具有自愈合能力的各向異性水凝膠。

【成果簡介】

合肥工業大學從懷萍教授課題組和中國科大俞書宏教授研究團隊報道了利用可控二維組裝結構作為高分子自由基聚合過程中的交聯劑并誘導聚合物鏈生長的策略制備各向異性水凝膠。它們由高度有序的金屬納米顆粒組裝體和聚合物層狀交聯網絡組成。它們在機械性能、光學性能、溶脹行為和退溶脹行為方面均表現出顯著的各向異性。基于金屬納米顆粒與高分子鏈之間動態金屬-巰基配位作用，它們在近紅外輻射和低pH值條件下具有快速而高效的多重響應自愈合性能。研究人員還發展了一種新型的修復誘導集成的器件組裝方法，實現了諸如機械臂抬起和機械手抓取等復雜驅動行為，在智能機器人領域具有應用潛力。相關成果于近日發表在Nat.Commun.上。

【圖文導讀】

圖1.銀納米顆粒/聚丙烯酰胺(SNPP) 水凝膠的制備示意圖

圖2.SNPP水凝膠的形成過程

a,?d?：5分鐘的聚合反應對應的SNPP水凝膠的SEM圖

b,?e：10分鐘的聚合反應對應的SNPP水凝膠的SEM圖

c,?f?：30分鐘的聚合反應對應的SNPP水凝膠的SEM圖

g?：SNPP水凝膠的表面SEM圖

h：SNPP水凝膠的照片

i?：SNPP水凝膠的POM圖

圖3.各向異性的機械性能

a：SNPP水凝膠的拉伸應力-應變曲線

b:??SNPP水凝膠的切線模量的比例與銀納米顆粒的含量的關系

c：SNPP水凝膠的切線模量的比例與尺寸、形貌、組成的關系

圖4.抗缺口敏感性、光學性能和溶脹性能的各向異性

?a：抗缺口敏感性

b：光學性能

c：溶脹性能

圖5.自愈合性能

a：近紅外激光和pH誘導自愈合的機理示意圖

b：SNPP水凝膠在不同輸出功率的近紅外激光的作用下，溫度隨時間的變化

c：通過近紅外激光愈合的SNPP水凝膠的力學行為

d：Ag@BACA溶液的UV-vis譜圖

e：通過pH誘導進行愈合的SNPP水凝膠的拉伸應力-應變曲線

圖6.溶劑響應各向異性的致動性能

a,?b：SNPP水凝膠在不良溶劑中進行致動的機理示意圖

c,?d：SNPP水凝膠在乙醇中分別按垂直和平行于表面的方向進行彎曲的過程

e：不同取向的兩塊水凝膠通過愈合進行組裝形成機器人的手臂的示意圖

f,?g：組裝后的手臂浸在乙醇中的部分進行致動行為

h：組裝后的手臂的平面內和平面外的變形

i：三塊不同取向的水凝膠通過愈合誘導組裝形成機器人手的示意圖

?j–l：組裝后的手在乙醇中表現出抓取的動作

【小結】

研究團隊制備的各向異性水凝膠在機械性能上表現出明顯的各向異性，有顯著的多重響應自愈合能力。這些性能獨特的各向異性結構使它們能發生平面內和平面外彎曲。而且，它們通過愈合誘導集成后，能實現更復雜的致動行為。這項研究為今后研制具有各向異性結構并且可自愈合的軟材料提供了新途徑，所制備的材料在人工肌肉、智能驅動器領域具有廣泛的應用前景。

文獻鏈接：Anisotropic and self-healing hydrogels with multi-responsive actuating capability（Nat. Commun.2019，10, 2202,DOI：10.1038/s41467-019-10243-8）

本文由kv1004供稿。