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新聞網(wǎng)訊 近日，我校材料科學與工程學院隋坤艷、范汶鑫教授團隊在水凝膠致動器方面取得重要進展，相關(guān)研究成果以“Polyelectrolyte-Mediated Modulation of Spatial Internal Stresses of Hydrogels for Complex 3D Actuators”為題發(fā)表在國際頂級學術(shù)期刊《Angew. Chem. Int. Ed.》（《德國應(yīng)用化學》）。該論文第一作者為材料科學與工程學院碩士研究生段靜華，通訊作者為我校隋坤艷教授、范汶鑫教授和復(fù)旦大學聶志鴻教授，我校為論文第一完成單位。

自變形水凝膠致動器在生物醫(yī)學、軟機器人、藥物輸送、生物傳感器等領(lǐng)域具有巨大應(yīng)用前景。水凝膠自變形能力源于其內(nèi)部的各向異性微結(jié)構(gòu)，傳統(tǒng)構(gòu)建策略只適用于2D自變形水凝膠致動器的構(gòu)建，嚴重限制了其應(yīng)用范圍。近年來，如何實現(xiàn)3D自變形水凝膠致動器的構(gòu)建成為該領(lǐng)域研究焦點。目前，科研工作者提出在構(gòu)建2D水凝膠各向異性微結(jié)構(gòu)的過程中同時引入空間分布內(nèi)應(yīng)力，通過該內(nèi)應(yīng)力釋放將其轉(zhuǎn)換為3D水凝膠致動器的構(gòu)建思路。其中，內(nèi)應(yīng)力引入的關(guān)鍵是誘導水凝膠網(wǎng)絡(luò)在聚合過程中自發(fā)收縮，然而，現(xiàn)有水凝膠自收縮機制引入的內(nèi)應(yīng)力較小、聚合物材料選擇有限，無法用于高性能復(fù)雜3D結(jié)構(gòu)的構(gòu)建。

為此，該研究報道了一種聚電解質(zhì)介導的水凝膠自收縮機制，可誘導水凝膠內(nèi)部產(chǎn)生空間圖案化內(nèi)應(yīng)力，從而實現(xiàn)3D自變形水凝膠致動器的簡單可控構(gòu)建。該研究證實，在水凝膠前驅(qū)體中溶液中引入聚電解質(zhì)，可產(chǎn)生三種重要作用：1)聚電解質(zhì)與水凝膠網(wǎng)絡(luò)形成氫鍵與靜電相互作用，顯著降低凝膠內(nèi)部的滲透壓，導致水凝膠聚合過程中自發(fā)收縮；2）圍繞水凝膠網(wǎng)絡(luò)周圍的高滲透壓聚電解質(zhì)溶液可誘導凝膠進一步收縮；3）基于聚電解質(zhì)產(chǎn)生的物理交聯(lián)可顯著提升水凝膠機械性能。因此，基于上述三種作用實現(xiàn)了高強高韌且具有多重復(fù)雜變形能力的3D自變形水凝膠致動器的構(gòu)建。此外，作者還基于Flory-Rehner理論建立了聚電解質(zhì)介導水凝膠收縮的理論模型，可用于水凝膠聚合過程中收縮率和內(nèi)應(yīng)力的精確調(diào)節(jié)。該聚電解質(zhì)介導收縮機制為高強韌3D水凝膠致動器的制備開辟了全新道路。

該團隊一直聚焦于仿生功能水凝膠材料的研究，至今在Science Advances、Angewandte Chemie International Edition、ACS Nano、Advanced Functional Materials、Materials Horizons、Small等發(fā)表高水平科研論文多篇。

論文鏈接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/ange.202410383