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東北林大孫鐵東教授、哈工大王廣通副教授、劉紹琴教授 Mater. Horiz.：一種化學燃料驅(qū)動的自復位水凝膠驅(qū)動器
2024-12-26  來源：高分子科技

  近期，哈爾濱工業(yè)大學劉紹琴教授團隊的王廣通副教授與東北林業(yè)大學的孫鐵東教授合作，詳細研究了聚乙二醇（PEG）水凝膠的碘響應性，并基于此制備了一種化學燃料驅(qū)動的自復位水凝膠驅(qū)動器。一直以來，水凝膠驅(qū)動器（hydrogel actuator）被用于模擬天然肌肉的驅(qū)動功能，是一種很有潛力的仿生材料。不過，目前所報道的水凝膠驅(qū)動器的連續(xù)伸縮，絕大部分是通過反復施加等量相反刺激實現(xiàn)的，如反復地加酸、加堿，反復地升溫、降溫等。這樣不僅操作復雜，而且還會不可避免地引入累計誤差。但是，天然肌肉的收縮利用的是ATP向ADP轉(zhuǎn)化時所釋放的能量。能量被消耗后，天然肌肉無需外界能量刺激而自發(fā)復位成原來的尺寸和形狀，以便下一次驅(qū)動收縮，這樣就避免了上述問題（如圖1A）。因此，模仿天然肌肉的驅(qū)動機理，制備可自復位的水凝膠驅(qū)動器，是制造人工肌肉材料的一種新思路。


圖1 天然肌肉和PEGDA-PHPA-PAMPS的自復位驅(qū)動機理


  如圖1B，雖然PEG在很多場合下展現(xiàn)出化學惰性，但是PEG上的氧原子去能和碘單質(zhì)發(fā)生配位，進而導致PEG從親水變?yōu)槭杷–hem. Sci. 2016, 7, 1151）。作者制得PEG凝膠后，首先研究了它的I2響應性。作者發(fā)現(xiàn)，PEG水凝膠遇到I2后發(fā)生明顯的失水，同時質(zhì)地變硬，表面變得疏水。使用還原劑除去I2后，PEG水凝膠的顏色、尺寸和硬度能夠完全復原。隨后，作者將PEG水凝膠與惰性的PHPA-PAMPS結(jié)合，形成雙層的水凝膠驅(qū)動器PEGDA-PHPA-PAMPS（圖2A-C），再與IO3--(NH2)2CS的氧化還原反應結(jié)合，利用反應產(chǎn)生的中間產(chǎn)物I2，實現(xiàn)了PEGDA-PHPA-PAMPS的自復位變形。如圖2D、E所示，IO3-和(NH2)2CS加入后，隨著中間產(chǎn)物I2濃度的產(chǎn)生和消失，驅(qū)動器可完成一次自復位形變。如圖2F，這種自復位形變是可以多次重復的。此外，通過改變驅(qū)動器的形狀，一些仿生動作，如抓取、擴約、變色等可以很容易地被實現(xiàn)。


  該工作以“An iodine-driven muscle-mimicking self-resetting bilayer hydrogel actuator”為題發(fā)表在《Materials Horizons》上（Mater. Horiz., 2025, DOI: 10.1039/d4mh01545b）。文章第一作者是東北林業(yè)大學碩士生郭康樂。通訊作者為東北林業(yè)大學孫鐵東教授、哈爾濱工業(yè)大學的王廣通副教授和劉紹琴教授，該研究得到了黑龍江省自然科學基金的支持。


圖2 自復位水凝膠驅(qū)動器PEGDA-PHPA-PAMPS的驅(qū)動過程


  原文鏈接：https://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2025/mh/d4mh01545b

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（責任編輯：xu）
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