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哈工大劉宇艷教授團(tuán)隊(duì)《Mater. Horiz.》：在較窄的響應(yīng)溫度區(qū)間內(nèi)呈現(xiàn)優(yōu)異的可逆驅(qū)動(dòng)特性的雙向形狀記憶聚合物

2023-04-23 來(lái)源：高分子科技

關(guān)鍵詞：雙向形狀記憶聚合物可逆驅(qū)動(dòng) 軟致動(dòng)器較窄響應(yīng)溫度

雙向形狀記憶聚合物(2W-SMPs)的可逆驅(qū)動(dòng)特性為軟致動(dòng)器(soft actuators)的設(shè)計(jì)制造提供了更多的選擇。近年來(lái), 諸多類(lèi)型的2W-SMPs已經(jīng)被報(bào)道，但這些材料有一個(gè)不可回避的事實(shí): 當(dāng)它們發(fā)生顯著的/不顯著的可逆驅(qū)動(dòng)時(shí)，其響應(yīng)溫度T_high和T_low總是形成一個(gè)很寬的溫度范圍(33-70^oC)。因此，當(dāng)2W-SMP被設(shè)計(jì)為軟執(zhí)行機(jī)構(gòu)時(shí)(例如, 醫(yī)療用微管道機(jī)器人)，材料寬的響應(yīng)溫度范圍和不顯著的可逆驅(qū)動(dòng)特性會(huì)對(duì)其執(zhí)行一些復(fù)雜的邏輯操作產(chǎn)生極大地限制。這些限制包括實(shí)時(shí)制造響應(yīng)溫度場(chǎng)的難度，可能產(chǎn)生的結(jié)構(gòu)損壞(如組織損傷)以及微弱的動(dòng)作響應(yīng)。

近期，哈爾濱工業(yè)大學(xué)化工與化學(xué)學(xué)院劉宇艷教授團(tuán)隊(duì)合成了在較窄的響應(yīng)溫度范圍內(nèi)獲得具有優(yōu)異的可逆驅(qū)動(dòng)特性的2W-SMP，這種材料在執(zhí)行可逆驅(qū)動(dòng)行為時(shí)，極大地弱化了制造實(shí)時(shí)響應(yīng)溫度場(chǎng)的難度。其原理基于形狀記憶聚合物網(wǎng)絡(luò)的驅(qū)動(dòng)域在結(jié)晶熱力學(xué)上具有可調(diào)性。這種可調(diào)性來(lái)源于Poly(octylene adipate) (POA)晶體和Poly(e-caprolactone) (PCL)晶體所形成的異質(zhì)同二晶(共晶)機(jī)制(圖1)，這允許合成的C-POA_xPCL_y聚合物網(wǎng)絡(luò)具有如下兩個(gè)特征：1) 網(wǎng)絡(luò)具有良好的結(jié)晶能力；2) 網(wǎng)絡(luò)具有寬的可調(diào)的結(jié)晶(熔融)轉(zhuǎn)變。因此，通過(guò)調(diào)整網(wǎng)絡(luò)中POA或PCL的組成，可以實(shí)現(xiàn)可調(diào)的響應(yīng)溫度T_high和顯著的可逆驅(qū)動(dòng)應(yīng)變(Δε_rev, 單軸)。當(dāng)執(zhí)行顯著的Δε_rev時(shí)，發(fā)現(xiàn)單個(gè)網(wǎng)絡(luò)可以選擇多個(gè)響應(yīng)溫度T_high。此外，POA和PCL晶體在非等溫結(jié)晶動(dòng)力學(xué)上的差異導(dǎo)致了聚合物網(wǎng)絡(luò)的響應(yīng)溫度T_low也是可調(diào)的。更重要的是，通過(guò)在適當(dāng)?shù)臏囟确秶鷥?nèi)調(diào)整響應(yīng)溫度T_low，聚合物網(wǎng)絡(luò)的可逆驅(qū)動(dòng)程度衰減較小。因此，C-POA_xPCL_y共聚交聯(lián)體系可以同時(shí)裁剪響應(yīng)溫度T_high和T_low，并且還可以保持優(yōu)異的Δε_rev。作為首選，C-POA₃PCL₇共聚物網(wǎng)絡(luò)在響應(yīng)溫度范圍為24℃(T_high：43℃，T_low：19℃) 顯示了超過(guò)17%的可逆驅(qū)動(dòng)應(yīng)變。最后，團(tuán)隊(duì)還討論了C-POA₃PCL₇共聚物網(wǎng)絡(luò)作為潛在的非永久植入生物醫(yī)學(xué)執(zhí)行器的優(yōu)勢(shì)，并借鑒藥物涂層球囊(DCB)技術(shù)設(shè)計(jì)了具有藥物釋放和載具回收功能的醫(yī)用體微管機(jī)器人(圖2)。這項(xiàng)工作針對(duì)于突破2W-SMPs材料的實(shí)際應(yīng)用限制，特別是為2W-SMPs應(yīng)用在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域提供了積極的參考。該工作以“Narrow response temperature range with excellent reversible shape memory effect for semi-crystalline networks as soft actuators”為題發(fā)表在《Materials Horizons》上（DOI: 10.1039/d3mh00270e）。文章第一作者是哈爾濱工業(yè)大學(xué)池得權(quán)博士。該研究得到國(guó)家自然科學(xué)基金委的支持。

圖1 C-POA_xPCL_y聚合物網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)建機(jī)制以及其雙向形狀記憶行為

圖2 C-POA₃PCL₇的雙向形狀記憶曲線(xiàn)以及其在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用模型

原文鏈接：https://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2023/MH/D3MH00270E

下載：Narrow response temperature range with excellent reversible shape memory effect for semi-crystalline networks as soft actuators

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（責(zé)任編輯：xu）

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