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南开大学孙平川研究员课题组:基于LCST-UCST温敏十博协同驱动的双向大角度弯曲水凝胶驱动器
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  热响应的十博水凝胶驱动器,受到外界环境温度的刺激能够产生可逆形变或体积改变,在仿生驱动、组织工程以及软质机器人等领域具有潜在的应用前景。目前,热响应水凝胶驱动器大都是基于各向异性结构制备而成:刺激响应性的水凝胶层(具有LCST或具有UCST型的温敏十博)和非响应的水凝胶层。热响应水凝胶驱动器虽然取得了较大进展,但仍然存在如下有待解决的问题:(1)通常采用单层凝胶作为刺激响应驱动层,驱动器难以实现较大角度范围的复杂3D形变;(2)单层驱动,导致驱动器刺激响应速率过慢,且形变后需要较长时间恢复到原始形状;(3)双层凝胶的界面粘接强度不佳,机械性能较差,严重限制了其进一步的应用。


  针对上述问题,南开大学化学学院孙平川研究员团队提出了一种构筑双层温敏水凝胶驱动器的新策略:采用反向形变和临界温度匹配的LCST和UCST温敏十博层的协同驱动来制备高双向弯曲的双层水凝胶驱动器,通过在LCST层中引入纳米黏土片层(Laponite)不但提升水凝胶驱动器的力学强度,而且大幅增强了双层凝胶界面的粘接强度,从而可实现多次可逆双向大角度的驱动行为,为高性能水凝胶驱动器研究提供了一个新的途径(图1)。


图1. 基于LCST和UCST类温敏十博协同驱动的双向大角度弯曲水凝胶驱动器。


  在该双层水凝胶驱动器中,一层是基于UCST类温敏性十博聚N-丙烯酰基甘氨酰胺(PNAGA)水凝胶:临界温度以下体积收缩,临界温度以上体积膨胀;另一层是基于LCST类温敏性十博聚N-异丙基丙烯酰胺--无机黏土(PNIPAM-Laponite)纳米复合凝胶:临界温度以下体积膨胀,临界温度以上体积收缩(图2) 。特别的是PNAGA水凝胶层的UCST(18 °C) 小于PNIPAM-Laponite水凝胶层的LCST(36 °C),这两种转变温度匹配和反向形变的温敏十博层赋予了双层水凝胶在弯曲过程中的高效协同驱动能力。


图2. (a)LCST-UCST双层水凝胶;(b)PNAGA层和PNIPAM-Laponite层水凝胶不同温度下的透过率;(c)PNAGA层,PNIPAM-Laponite层和双层水凝胶不同温度下的溶胀率;(d-f)PNAGA层水凝胶不同温度下的膨胀和收缩行为;(g-i)PNIPAM-Laponite层水凝胶不同温度下的膨胀和收缩行为。


  临界温度匹配的LCST-UCST相转变作为双向协同的驱动力,赋予了该双层水凝胶驱动器在高温水相中(45 °C)比传统的热响应双层水凝胶驱动器更加优异的双向大角度(+360° 到 -360°) 快速弯曲能力, 同时在低温水相中(5 °C)形变可逆回复的能力。通过在45 °C和5 °C水环境中的温度交替切换,该双层水凝胶可在双向大角度弯曲之间多次重复使用,展现了优异的循环弯曲能力(图3)。


图3. (a)双层水凝胶在T = 45 °C时的热响应弯曲;(b)和其它热响应双层水凝胶的弯曲性能比较;(c)双层水凝胶在环境温度改变下的可逆循环弯曲。


  此外,进一步在PNIPAM层中加入Laponite无机纳米黏土片层,通过聚合物链和纳米黏土形成的氢键作用在双层水凝胶的界面上形成了约5 um厚度的界面层,因此增强了该驱动器双层界面的粘接强度,防止了驱动器在热响应弯曲过程中因界面局部应力过大而导致的分层和开裂现象。同时,Laponite的引入增加了PNIPAM层的物理交联点,使得聚合物三维网络结构更加紧密,因此该双层水凝胶驱动器的力学性能也得到了显著提升(图4)。


图4. (a)PNAGA / PNIPAM-Laponite双层水凝胶的SEM图;(b)PNAGA / PNIPAM双层水凝胶的SEM图;(c)含Laponite和不含Laponite双层水凝胶弯曲两次后的比较图;(d-e)含Laponite双层水凝胶界面处的SEM-EDS元素分析;(f)力学性能比较图。


  优异的力学性能及可逆的双向大角度弯曲能力,赋予了双层水凝胶可以实现复杂的3D形变及驱动能力。例如该双层水凝胶材料可以制备成一种水相环境中应用的可逆“仿生抓手”,可在外界环境温度的刺激下,准确地抓取和转移目标物(图5)。


图5. (a)双层水凝胶在45 °C形状改变;(b)水凝胶片层从45 °C转移到5 °C;(c)水凝胶驱动器抓取和转移目标物。


  该研究成果近日以“Highly Bidirectional Bendable Actuator Engineered by LCST?UCST Bilayer Hydrogel with Enhanced Interface”为题,在线发表于ACS Applied Materials & Interfaces(DOI: 10.1021/acsami.0c17085)上。论文第一作者为南开大学化学学院博士生黎剑,共同通讯作者为王粉粉博士后孙平川研究员。该论文得到了国家自然科学基金重点项目和“111”计划项目等经费支持。


  原文链接:https://pubs.acs.org/doi/full/10.1021/acsami.0c17085

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