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山東大學王旭教授 Adv. Sci.：受含羞草啟發具有高能量密度與可多重回收的體溫響應性形狀記憶聚合物網絡

2024-08-18 來源：高分子科技

在自然界中，生物普遍具有動態適應性行為，例如含羞草的葉子在被觸碰后會快速收縮，受此類現象啟發，科學家開發出一系列可模擬自然界生物的響應行為的形狀記憶聚合物 (SMP)。這些聚合物能夠進行類似生命體的運動，包括擴張、收縮和彎曲，以及更復雜的動作，因此有望被應用于生物醫學、智能運動和貨物處理等眾多領域。根據刺激源的不同，SMP可被分類為溫度響應型、電響應型和光響應型等等。其中，溫度響應型 SMP 因其出色的穩定性、可靠性和易于控制而尤為引人注目。SMP 的觸發溫度和能量密度對于其在生物醫學和智能傳感中的實際應用起著至關重要的作用。過低的觸發溫度會使得SMP很難在室溫下保持其預設形狀。過高的觸發溫度則會限制SMP在人體中的應用，因為高于 50°C 的溫度會導致不可逆的組織損傷。因此，開發在理想觸發溫度下運行并保持高能量密度的熱響應 SMP 至關重要。據此，山東大學王旭教授課題組在Advanced Science上以研究論文的形式發表了題為“Mimosa-Inspired Body Temperature-Responsive Shape Memory Polymer Networks: High Energy Densities and Multi-Recyclability”的研究成果。

從含羞草植物的可逆驅動、自修復和可持續特性中汲取靈感，我們設計了一個具有高能量密度和多回收性的 SMP 網絡，該網絡能具有可逆驅動、自修復、可回收和可降解的特性，能夠隨著溫度的升高從堅硬變為柔韌。該SMP具有高達 1.8 J g^-1的能量密度（約為人體骨骼肌的46倍），因此可以被用于替代人造肌肉執行各種任務。該材料可以在高溫下識別和處理物品，因此有望被用作一種智能操縱器。除此之外，該SMP網絡在人體溫度附近具有較慢的形狀恢復速率，有望作為可植入性材料被應用于解決急性阻塞等醫學問題。該SMP網絡內動態共價鍵不僅賦予了材料具有出色的耐溶劑性，而且還擁有出色的自修復、再加工和降解能力。因此，作為一種具有高實用性和環境友好型的新型材料，其有望被應用于生物醫學設備、軟機器人和智能執行器等領域。

圖1. (a) 含羞草植物在刺激前后的形態變化。（b）受含羞草啟發的SMP網絡刺激前后的圖片。(c) PBD_x聚合物的合成過程示意圖 (d) PBD_0.5 樣品在室溫下可支撐 2 g重物，而它在60 ℃ 的溫度下軟化。 (e) 對比PBD_0.5樣品在25℃和60℃下的邵氏硬度、楊氏模量、韌性、沖擊強度和能量吸收的雷達圖。

圖2. (a) 環形樣品形狀記憶行為示意圖和實際照片。（b）在形狀記憶過程中，環形樣品直徑隨時間的變化。（c）樣品在紅外光照射下提起物體的示意圖和實際照片。（d）樣品選擇性抓取高溫物體的示意圖和實際照片。

圖3. (a) 演示樣品在25、37和60 ℃下的形狀恢復過程。(b-d) 樣品在25、37 和60℃下的形狀恢復過程中的恢復速率與時間的關系。(e) 演示樣品支架在37℃下的形狀恢復過程。(f) 樣品支架在37 ℃下的形狀恢復過程中的恢復速率與時間的關系。(g)展示了樣品在血管支架中的潛在應用。

圖4. (a) 樣品在不同溫度下的應力松弛曲線。(b) 通過阿倫尼烏斯方程確定樣品的活化能。(c)樣品修復前后的數碼照片。 (d) 切斷后的樣品焊接過程示意圖。(e) 焊接后的樣品提升 500 克物體的數碼照片。 (f) 完整樣品和焊接后的樣品應力-應變曲線。(g) 熱壓的熱壓回收過程。 (h) 樣品經過三次熱壓循環后的 FTIR 光譜和（i）應力-應變曲線。

感謝國家自然科學基金和山東省自然科學杰出青年基金對該工作的資助。

論文鏈接：

“Mimosa-Inspired Body Temperature-Responsive Shape Memory Polymer Networks: High Energy Densities and Multi-Recyclability”

http://doi.org/10.1002/advs.202407596

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（責任編輯：xu）

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