从怀萍教授&俞书宏教授Nat. Commun.：各向异性的自愈合水凝胶具有多重响应致动能力

【引言】

生物体内的大多数组织通常具有各向异性的形貌和结构。水凝胶和生物体内的组织具有很多相似之处，常作为聚合物支架用于人造器官或者组织的开发。尽管通过超分子自组装策略制备的各向异性的水凝胶具有定向的结构和面对外界刺激表现出各向异性的响应性，但它们的机械强度很差。生物组织的机械性能对于发挥其功能起到关键作用。除此之外，生物组织的自愈合能力和它们的生命力紧密相关。因此，迫切需要开发具有自愈合能力的各向异性水凝胶。

【成果简介】

合肥工业大学从怀萍教授课题组和中国科大俞书宏教授研究团队报道了利用可控二维组装结构作为高分子自由基聚合过程中的交联剂并诱导聚合物链生长的策略制备各向异性水凝胶。它们由高度有序的金属纳米颗粒组装体和聚合物层状交联网络组成。它们在机械性能、光学性能、溶胀行为和退溶胀行为方面均表现出显著的各向异性。基于金属纳米颗粒与高分子链之间动态金属-巯基配位作用，它们在近红外辐射和低pH值条件下具有快速而高效的多重响应自愈合性能。研究人员还发展了一种新型的修复诱导集成的器件组装方法，实现了诸如机械臂抬起和机械手抓取等复杂驱动行为，在智能机器人领域具有应用潜力。相关成果于近日发表在Nat.Commun.上。

【图文导读】

图1.银纳米颗粒/聚丙烯酰胺(SNPP) 水凝胶的制备示意图

图2.SNPP水凝胶的形成过程

a, d ：5分钟的聚合反应对应的SNPP水凝胶的SEM图

b, e：10分钟的聚合反应对应的SNPP水凝胶的SEM图

c, f ：30分钟的聚合反应对应的SNPP水凝胶的SEM图

g ：SNPP水凝胶的表面SEM图

h：SNPP水凝胶的照片

i ：SNPP水凝胶的POM图

图3.各向异性的机械性能

a：SNPP水凝胶的拉伸应力-应变曲线

b:  SNPP水凝胶的切线模量的比例与银纳米颗粒的含量的关系

c：SNPP水凝胶的切线模量的比例与尺寸、形貌、组成的关系

图4.抗缺口敏感性、光学性能和溶胀性能的各向异性

 a：抗缺口敏感性

b：光学性能

c：溶胀性能

图5.自愈合性能

a：近红外激光和pH诱导自愈合的机理示意图

b：SNPP水凝胶在不同输出功率的近红外激光的作用下，温度随时间的变化

c：通过近红外激光愈合的SNPP水凝胶的力学行为

d：Ag@BACA溶液的UV-vis谱图

e：通过pH诱导进行愈合的SNPP水凝胶的拉伸应力-应变曲线

图6.溶剂响应各向异性的致动性能

a, b：SNPP水凝胶在不良溶剂中进行致动的机理示意图

c, d：SNPP水凝胶在乙醇中分别按垂直和平行于表面的方向进行弯曲的过程

e：不同取向的两块水凝胶通过愈合进行组装形成机器人的手臂的示意图

f, g：组装后的手臂浸在乙醇中的部分进行致动行为

h：组装后的手臂的平面内和平面外的变形

i：三块不同取向的水凝胶通过愈合诱导组装形成机器人手的示意图

 j–l：组装后的手在乙醇中表现出抓取的动作

【小结】

研究团队制备的各向异性水凝胶在机械性能上表现出明显的各向异性，有显著的多重响应自愈合能力。这些性能独特的各向异性结构使它们能发生平面内和平面外弯曲。而且，它们通过愈合诱导集成后，能实现更复杂的致动行为。这项研究为今后研制具有各向异性结构并且可自愈合的软材料提供了新途径，所制备的材料在人工肌肉、智能驱动器领域具有广泛的应用前景。

文献链接：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。