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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.：一種化學燃料驅動的自復位水凝膠驅動器

2024-12-26 來源：高分子科技

近期，哈爾濱工業大學劉紹琴教授團隊的王廣通副教授與東北林業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動的自復位水凝膠驅動器。一直以來，水凝膠驅動器（hydrogel actuator）被用于模擬天然肌肉的驅動功能，是一種很有潛力的仿生材料。不過，目前所報道的水凝膠驅動器的連續伸縮，絕大部分是通過反復施加等量相反刺激實現的，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復位成原來的尺寸和形狀，以便下一次驅動收縮，這樣就避免了上述問題（如圖1A）。因此，模仿天然肌肉的驅動機理，制備可自復位的水凝膠驅動器，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的自復位驅動機理

如圖1B，雖然PEG在很多場合下展現出化學惰性，但是PEG上的氧原子去能和碘單質發生配位，進而導致PEG從親水變為疏水（Chem. Sci. 2016, 7, 1151）。作者制得PEG凝膠后，首先研究了它的I₂響應性。作者發現，PEG水凝膠遇到I₂后發生明顯的失水，同時質地變硬，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結合，形成雙層的水凝膠驅動器PEGDA-PHPA-PAMPS（圖2A-C），再與IO₃^--(NH₂)₂CS的氧化還原反應結合，利用反應產生的中間產物I₂，實現了PEGDA-PHPA-PAMPS的自復位變形。如圖2D、E所示，IO₃^-和(NH₂)₂CS加入后，隨著中間產物I₂濃度的產生和消失，驅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。

該工作以“An iodine-driven muscle-mimicking self-resetting bilayer hydrogel actuator”為題發表在《Materials Horizons》上（Mater. Horiz., 2025, DOI: 10.1039/d4mh01545b）。文章第一作者是東北林業大學碩士生郭康樂。通訊作者為東北林業大學孫鐵東教授、哈爾濱工業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 自復位水凝膠驅動器PEGDA-PHPA-PAMPS的驅動過程

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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