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水凝膠大牛龔劍萍、劉文廣、劉明杰課題組最新研究進(jìn)展

2019-04-08 09:40:38 作者：風(fēng)雪來(lái)源：材料人分享至：

傳統(tǒng)水凝膠由于存在網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的不均勻、能量耗散機(jī)制匱乏等問(wèn)題，導(dǎo)致傳統(tǒng)水凝膠的機(jī)械性能較差，從而限制了其在實(shí)際生產(chǎn)生活中的應(yīng)用。近幾十年以來(lái)，國(guó)內(nèi)外大量的學(xué)者研究開(kāi)發(fā)了大量高強(qiáng)度韌性水凝膠，其中主要包括雙網(wǎng)絡(luò)水凝膠、滑環(huán)水凝膠、納米復(fù)合水凝膠、納米顆粒增強(qiáng)水凝膠、膠束交聯(lián)水凝膠等類型。本質(zhì)上，這些類型的水凝膠的合成關(guān)鍵在于利用斷裂“犧牲鍵”來(lái)有效耗散能量，進(jìn)而增強(qiáng)水凝膠的機(jī)械性能。其中氫鍵、超分子識(shí)別、絡(luò)合作用、靜電作用、疏水締合等多種非共價(jià)作用均都已被設(shè)計(jì)應(yīng)用于制備高強(qiáng)度水凝膠。同時(shí)，一些可逆的非共價(jià)鍵的斷裂和重建不僅賦予水凝膠高強(qiáng)度，也使得水凝膠具有一定的可恢復(fù)性和自修復(fù)特性，從而更有利于水凝膠的發(fā)展應(yīng)用。

下面就簡(jiǎn)單介紹一下近段時(shí)間水凝膠大牛課題組水凝膠相關(guān)研究的最新進(jìn)展。

1.龔劍萍課題組

在過(guò)去十幾年的研究發(fā)展中，高強(qiáng)高韌水凝膠的研究和開(kāi)發(fā)已經(jīng)取得了長(zhǎng)足的進(jìn)展，同時(shí)也開(kāi)展了這些水凝膠的相關(guān)應(yīng)用的研究。因此，用韌性水凝膠涂覆在固體表面對(duì)于水凝膠的實(shí)際應(yīng)用也是十分有必要的。但為了實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，水凝膠就必須能夠牢固地粘合到包括各種材料和復(fù)雜形狀的固體表面。然而對(duì)于不同的水凝膠，就必須使用合適的涂覆方法，從而實(shí)現(xiàn)相關(guān)優(yōu)異性能的應(yīng)用。而傳統(tǒng)的雙網(wǎng)絡(luò)（DN）水凝膠由于其獨(dú)特的結(jié)構(gòu)與性能和兩步制備方法不易作為涂料使用。由此，日本北海道大學(xué)的龔劍萍教授等人提出了一種將DN凝膠涂覆到各種無(wú)孔固體表面上的簡(jiǎn)單方法1。并將相關(guān)成果以“Tough Particle-Based Double Network Hydrogels for Functional Solid Surface Coatings”為題發(fā)表在著名期刊Advanced Materials Interfaces上。

圖1-粒子基雙網(wǎng)絡(luò)凝膠（P-DN凝膠）涂覆在固體表面的過(guò)程示意圖

他們利用顆粒基雙網(wǎng)絡(luò)（P-DN）凝膠，涂敷過(guò)程分為兩步。首先，對(duì)固體表面（塑料、橡膠、陶瓷或金屬）進(jìn)行處理，形成薄的、物理結(jié)合的含有自由基引發(fā)劑的底層。然后將預(yù)凝膠溶液涂于處理后的表面，再進(jìn)行光誘導(dǎo)聚合。P-DN凝膠涂層顯示高韌性，在90°剝離實(shí)驗(yàn)中，其中一個(gè)配方的樣品達(dá)到超過(guò)1000J/ m 2。長(zhǎng)時(shí)間暴露于水，高溫和溶劑條件下，該涂料還表現(xiàn)出高穩(wěn)定性。此外，P-DN凝膠涂層表面具有較低的摩擦性能和較高的耐磨性。并且，這種簡(jiǎn)單的涂層工藝甚至可以用于復(fù)雜幾何形狀的表面，包括三維形狀，具有一定的普適性。具體的操作是（如圖1）：他們首先將二苯甲酮（BP）與聚醋酸乙烯酯（PVAc）的丙酮溶液涂覆在基體表面并干燥，重復(fù)兩次后將DN凝膠的預(yù)凝膠溶液倒在處理好的基體表面上并紫外光照，即可將DN凝膠成功地涂覆在基體表面。

水凝膠在許多領(lǐng)域都有很好的應(yīng)用前景，特別是在潮濕環(huán)境中，包括組織工程、傷口敷料、生物醫(yī)學(xué)設(shè)備和水下軟機(jī)器人。盡管在這方面的應(yīng)用有很大的需求，并且在不可逆粘接各種合成和生物表面方面也取得了很大的進(jìn)展，但是設(shè)計(jì)快速、高強(qiáng)度、可逆水下粘接的堅(jiān)韌水凝膠仍然無(wú)法得到。因此，龔劍萍教授等人提出了一種結(jié)合宏觀尺度表面工程和納米尺度動(dòng)態(tài)鍵的水凝膠開(kāi)發(fā)策略，基于這一策略，獲得了具有動(dòng)態(tài)離子鍵和氫鍵的硬質(zhì)水凝膠在不同底材（包括硬玻璃、軟水凝膠和生物組織）上具有優(yōu)異的水下粘附性能。該方法可推廣應(yīng)用于其它水下粘接軟材料的開(kāi)發(fā)2。

圖2-具有快速、強(qiáng)、可逆水下黏附的堅(jiān)韌水凝膠的多尺度設(shè)計(jì)示意圖

如圖2，作者受喉盤魚(yú)的吸盤結(jié)構(gòu)（a）的啟發(fā)，作者在水凝膠表面設(shè)計(jì)了由凹槽分隔的六邊形結(jié)構(gòu)（b）。凹槽起到排水通道的作用，以促進(jìn)六邊形表面在水下與基體的快速接觸（c）。凝膠的六邊形界面上的動(dòng)態(tài)鍵與基質(zhì)結(jié)合以粘附界面。在拉伸過(guò)程中，凝膠本體動(dòng)態(tài)鍵的斷裂耗散能量，延緩了界面處的脫粘（d-e）。另外，獨(dú)立的六邊形界面防止裂紋在整個(gè)界面的連續(xù)擴(kuò)展，也增強(qiáng)了粘附強(qiáng)度和剝離能（f）。因此，他們將含有動(dòng)態(tài)鍵的韌性水凝膠與生物啟發(fā)的表面排水結(jié)構(gòu)相結(jié)合，通過(guò)該方法制得的水凝膠只需在短時(shí)間內(nèi)施加很小的力就能粘附在另一固體表面，粘附強(qiáng)度與剝離能最高分別達(dá)到25 kPa和50 J/m2。同時(shí)，凝膠在多種表都表現(xiàn)出粘附行為，同時(shí)還表現(xiàn)出良好的可逆粘附。并將相關(guān)成果以“Tough Hydrogels with Fast, Strong, and Reversible Underwater Adhesion Based on a Multiscale Design”為題發(fā)表在國(guó)際著名期刊Advanced Materials上。

生命體的活組織，如肌肉，通過(guò)新陳代謝過(guò)程能夠自主生長(zhǎng)和改造和調(diào)節(jié)自己來(lái)適應(yīng)周圍的環(huán)境。相比之下，一些經(jīng)典的化學(xué)合成材料一旦形成就不能生長(zhǎng)和重建它們的結(jié)構(gòu)。因此，龔劍萍教授等人提出了一種開(kāi)發(fā)“自我生長(zhǎng)”聚合物材料的策略，這種材料通過(guò)有效的機(jī)械化學(xué)轉(zhuǎn)換來(lái)響應(yīng)重復(fù)的機(jī)械應(yīng)力3。具有穩(wěn)定單體供應(yīng)的雙網(wǎng)絡(luò)（DN）水凝膠會(huì)自我生長(zhǎng)，在重復(fù)荷載作用下，通過(guò)結(jié)構(gòu)破壞重建過(guò)程，材料得到了大幅度增強(qiáng)。這一策略也賦予水凝膠在機(jī)械沖壓的要求下具有定制功能。這項(xiàng)工作可能為開(kāi)發(fā)用于軟機(jī)器人和智能設(shè)備等應(yīng)用的自生長(zhǎng)凝膠材料鋪平道路。

圖3-機(jī)械訓(xùn)練誘導(dǎo)雙網(wǎng)絡(luò)水凝膠材料自我生長(zhǎng)的設(shè)計(jì)方案示意圖

該策略的靈感來(lái)自使人類骨骼肌變得更強(qiáng)壯的過(guò)程。比如，在健身房進(jìn)行力量訓(xùn)練后，肌肉纖維會(huì)分解，從而促進(jìn)新的更強(qiáng)壯的纖維的形成。要做到這一點(diǎn)，肌肉必須提供氨基酸，蛋白質(zhì)的構(gòu)建塊，它們連接在一起形成肌肉纖維。龔教授團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)了一種采用“雙網(wǎng)水凝膠”的策略，模仿骨骼肌的構(gòu)建過(guò)程。如圖3，研究小組將一種雙網(wǎng)絡(luò)水凝膠放入含有分子的溶液中，這些分子稱為單體，可以連接形成稱為聚合物的較大化合物。該方案模擬了攜帶氨基酸的血液循環(huán)到骨骼肌的作用。通過(guò)該過(guò)程，水凝膠的強(qiáng)度和剛度分別提高了1.5倍和23倍，聚合物的重量增加了86％。該團(tuán)隊(duì)還能夠通過(guò)使用改變凝膠對(duì)熱的反應(yīng)的特定單體來(lái)調(diào)控材料對(duì)機(jī)械力的響應(yīng)，擴(kuò)展了DN水凝膠的潛在應(yīng)用價(jià)值。并將相關(guān)成果以“Mechanoresponsive self-growing hydrogels inspired by muscle training”為題發(fā)表在國(guó)際頂級(jí)期刊Science上。

2.劉文廣課題組

運(yùn)用新興的3D打印技術(shù)制備水凝膠的軟組織支架，有用于骨軟骨缺損的個(gè)體化治療的廣闊前景。3D生物打印技術(shù)的發(fā)展為仿生組織工程支架的構(gòu)建提供了一種新的技術(shù)手段，但是3D打印出的架構(gòu)能否成功用于組織工程支架主要取決于“墨水”的性能。然而，傳統(tǒng)水凝膠固有的機(jī)械強(qiáng)度低和不可控膨脹限制了它們作為生物油墨的使用。天津大學(xué)劉文廣教授研究團(tuán)隊(duì)與中科院深圳先進(jìn)技術(shù)研究院的阮長(zhǎng)順副研究員（共同通訊作者）課題組合作開(kāi)發(fā)了一種可直接3D打印的氫鍵增強(qiáng)的高強(qiáng)度水凝膠墨水4。

圖4-水凝膠結(jié)構(gòu)以及3D打印性能示意圖

該墨水是一種基于丙烯酰基甘氨酰胺（PNAGA）共聚物超分子聚合物水凝膠（如圖4），所得的共聚物水凝膠具有良好的力學(xué)性能——抗拉強(qiáng)度（高達(dá)0.41 MPa），拉伸性能好（高達(dá)860%），抗壓強(qiáng)度高（高達(dá)8.4 MPa）。并且PNAGA共聚物水凝膠具有比其均聚物水凝膠更低的熔融溫度和更好的流動(dòng)性，可直接3D打印，無(wú)需光交聯(lián)，打印后快速固化成型保持完好的宏觀和微觀結(jié)構(gòu)。該支架具有剪切變薄特性，可以通過(guò)針進(jìn)行連續(xù)擠壓，并在冷卻的基底上沉積液體后立即凝膠化。研究人員模擬軟骨-骨一體化結(jié)構(gòu)，在凝膠中復(fù)合β-磷酸三鈣（β-TCP），利用多針頭交替打印制備成底層含有β-TCP，頂部含有若干層負(fù)載生長(zhǎng)因子TGF-β1的梯度支架。同時(shí)體內(nèi)實(shí)驗(yàn)表明，3d打印生物混合梯度水凝膠支架在大鼠模型中顯著促進(jìn)軟骨和軟骨下骨的同時(shí)再生。研究團(tuán)隊(duì)將相關(guān)成果以“Direct 3D Printing of High Strength Biohybrid Gradient Hydrogel Scaffolds for Efficient Repair of Osteochondral Defect”為題發(fā)表在國(guó)際著名期刊Advanced Functional Materials上。

乳腺癌是女性最常見(jiàn)的惡性腫瘤之一，嚴(yán)重威脅女性的健康。手術(shù)切除治療仍然是一種最常用的徹底的治療方式。然而，術(shù)后乳腺癌的高復(fù)發(fā)率和轉(zhuǎn)移問(wèn)題仍然未能有效地解決，成為臨床治療工作上最大的困難和挑戰(zhàn)。因此，乳腺癌術(shù)后的治療應(yīng)注重乳房重建和精確控制局部復(fù)發(fā)和全身擴(kuò)散的風(fēng)險(xiǎn)。為了解決這一困難，天津大學(xué)劉文廣教授團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)了一種可注射自顯影的超分子納米復(fù)合水凝膠，他們的策略是在乳腺癌手術(shù)部位注射富含診斷藥物的軟組織樣水凝膠，使局部復(fù)發(fā)治療與術(shù)后軟組織重建結(jié)合，通過(guò)體外近紅外光調(diào)控和實(shí)時(shí)CT顯影追蹤，實(shí)現(xiàn)了精確的術(shù)后一體化診療體系5。

圖5- PDA- AuNPs和納米復(fù)合PNAm-PDAAu水凝膠的制備原理圖及其作為乳腺癌填充物的熱滲性應(yīng)用示意圖

該團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)合成了性能優(yōu)良的可注射的熱響應(yīng)的聚N-丙烯酰甘氨酰胺-聚丙烯酰胺（PNAGA-PAAm）超分子納米復(fù)合水凝膠。如圖5，PNAGA的雙氫鍵物理交聯(lián)使凝膠可以在生理水環(huán)境保持穩(wěn)定的溶脹狀態(tài)，而PAAm的氫鍵調(diào)控可注射性。該凝膠含有聚多巴胺（PDA）包覆金納米粒（AuNPs）和阿霉素（DOX）。網(wǎng)絡(luò)中的聚多巴胺-金納米可以通過(guò)聚多巴胺和酰胺基團(tuán)之間的作用形成交聯(lián)點(diǎn)，保證納米粒子牢固結(jié)合到網(wǎng)絡(luò)中，之后由近紅外光照射引發(fā)納米粒子的光熱轉(zhuǎn)換，當(dāng)凝膠的溫度略高于體溫，達(dá)到凝膠-溶膠轉(zhuǎn)變溫度時(shí)，可以實(shí)現(xiàn)注射及體內(nèi)的二次變形，實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)的個(gè)性化填充；當(dāng)近紅外光撤離時(shí)，溶膠狀態(tài)迅速轉(zhuǎn)化成凝膠態(tài)，完成填充固化。填充完成后，還可以通過(guò)遠(yuǎn)程操控近紅外光來(lái)調(diào)控凝膠的光熱轉(zhuǎn)化實(shí)現(xiàn)藥物的控制釋放，原位殺死乳腺癌術(shù)后殘留的部分腫瘤細(xì)胞，控制乳腺癌的復(fù)發(fā)并完成乳腺組織的重建。值得一提的是，由于金納米粒子優(yōu)異的X射線衰減特性，并且可以通過(guò)CT成像進(jìn)行跟蹤。研究團(tuán)隊(duì)將相關(guān)成果以“An Injectable Supramolecular Polymer Nanocomposite Hydrogel for Prevention of Breast Cancer Recurrence with Theranostic and Mammoplastic Functions”為題發(fā)表在國(guó)際著名期刊Advanced Functional Materials上。

動(dòng)脈瘤是一種血管壁膨出的病癥，血管壁會(huì)變薄而易破損，可能隨時(shí)危及生命。而金屬?gòu)椈扇?huì)經(jīng)常用于該病癥的治療，由于金屬?gòu)椈扇Φ膭傂蕴螅趬?nèi)不能堆積，容易形成復(fù)通的風(fēng)險(xiǎn)。而形狀記憶水凝膠則是一種智能軟濕材料，作為生物醫(yī)療微創(chuàng)支架或生物傳感器具有廣闊的應(yīng)用前景。因此，天津大學(xué)劉文廣教授團(tuán)隊(duì)于天津市一中心醫(yī)院馮學(xué)泉主任醫(yī)生團(tuán)隊(duì)合作設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)了一種具有X光成像功能的高模量高強(qiáng)度的體溫刺激響應(yīng)的形狀記憶水凝膠彈簧圈材料，并且首次實(shí)現(xiàn)了水凝膠對(duì)動(dòng)脈血管的栓塞6。

圖6-水凝膠的溫度響應(yīng)以及彈簧線圈的制作示意圖（左）和水凝膠線圈在體內(nèi)的SM效應(yīng)及其栓塞評(píng)估圖（右）

該凝膠網(wǎng)絡(luò)含有聚丙烯腈的偶極-偶極相互作用、氫鍵等物理交聯(lián)作用以及聚乙二醇二甲基丙烯酸酯的化學(xué)交聯(lián)作用。在這柔性交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)中的可逆性疏水偶極子偶對(duì)微區(qū)中，然后進(jìn)行BaSO4沉淀，制備了一種輻射不透明、高度剛性的體溫觸發(fā)形狀記憶（SM）水凝膠。這種放射性不影響其機(jī)械性能以及SM效應(yīng)，SM水凝膠的力學(xué)性能與橡膠相當(dāng)，并且可以通過(guò)20 ~ 40℃的溫度進(jìn)行調(diào)節(jié)。實(shí)驗(yàn)表明，由于強(qiáng)的物理交聯(lián)作用，使得水凝膠的楊氏模量高達(dá)16MPa，當(dāng)溫度升高到體溫時(shí)，由于偶極-偶極作用和氫鍵作用的解離，凝膠的模量降低至270KPa。即通過(guò)調(diào)節(jié)溫度，實(shí)現(xiàn)了體溫刺激響應(yīng)的形狀記憶，且凝膠的恢復(fù)速度快至4s，而且BaSO4的沉積方法賦予了凝膠X光成像的功能，如圖6。在栓塞效果的實(shí)驗(yàn)中，該研究團(tuán)隊(duì)通過(guò)相反轉(zhuǎn)的方法成功的將具有成像功能的只能水凝膠預(yù)制成彈簧圈，并在對(duì)豬腎動(dòng)脈的實(shí)驗(yàn)中成功的實(shí)現(xiàn)了栓塞，12周后復(fù)查，保持了良好的栓塞效果，并無(wú)復(fù)通。該團(tuán)隊(duì)將相關(guān)研究成果以“Radiopaque Highly Stiff and Tough Shape Memory Hydrogel Microcoils for Permanent Embolization of Arteries”為題發(fā)表在國(guó)際著名期刊Advanced Functional Materials上。

心肌梗死（MI）是冠狀動(dòng)脈發(fā)生病變，導(dǎo)致心肌缺血性壞死。梗死后的心肌再生能力有限，然而現(xiàn)代的許多醫(yī)療團(tuán)隊(duì)已經(jīng)開(kāi)發(fā)許多治療手段，但是臨床效果都不盡理想。針對(duì)這個(gè)問(wèn)題，有針對(duì)性地采取整體的方法，有利于心臟功能的重建。近年來(lái)，隨著再生醫(yī)學(xué)的發(fā)展，可注射水凝膠和心臟貼片兩種不同的策略被廣泛的應(yīng)用于重建梗死后的心肌功能。天津大學(xué)劉文廣教授、王瑋副教授團(tuán)隊(duì)針對(duì)心肌節(jié)律性跳動(dòng)的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了一種功能化可注射凝膠體系用于心肌功能重建7。

圖7-設(shè)計(jì)構(gòu)建導(dǎo)電注射水凝膠的構(gòu)想，并用于加載質(zhì)粒DNA-eNOs納米顆粒和ADSCs治療心肌梗死治療示意圖。

研究團(tuán)隊(duì)通過(guò)多臂導(dǎo)電的交聯(lián)劑四苯胺-聚乙二醇二丙烯酸酯（TA-PEG）與巰基透明質(zhì)酸（HA-SH）的原位邁克爾加成反應(yīng)，制備了一種可注射的導(dǎo)電水凝膠，如圖7。以內(nèi)皮型一氧化氮合酶納米復(fù)合物eNOs質(zhì)粒DNA和脂肪源性干細(xì)胞（ADSCs）為載體，制備具有等效心肌電導(dǎo)率和抗疲勞性能的軟導(dǎo)電水凝膠，并將TA-PEG/HA-SH/ADSCs/基因水凝膠為基礎(chǔ)的整體系統(tǒng)注入SD大鼠梗死心肌。研究發(fā)現(xiàn)心肌組織中eNOs表達(dá)增加，亞硝酸鹽濃度升高，同時(shí)促血管生成生長(zhǎng)因子和心肌相關(guān)mRNA表達(dá)上調(diào)。心電圖和組織學(xué)分析結(jié)果令人信服地顯示射血分?jǐn)?shù)（EF）明顯升高，QRS波間隔縮短，梗死面積縮小，纖維化面積減少，血管密度增加，表明心臟功能明顯改善。這種由干細(xì)胞和基因編碼eNOs納米顆粒組成的導(dǎo)電注射水凝膠聯(lián)合治療心肌梗死的方法將成為一種強(qiáng)有力的治療策略。研究團(tuán)隊(duì)將相關(guān)研究成果以“An injectable conductive hydrogel encapsulating plasmid DNA-eNOs and ADSCs for treating myocardial infarction”為題發(fā)表在著名期刊Biomaterials 上。

然而，對(duì)于另外一種心臟貼片的治療方法，現(xiàn)階段的研究主要集中于縫合或紫外光（激光）照射粘附等方式將貼片固定于心臟上，這些方法均會(huì)對(duì)脆弱的心肌造成新的損傷，引起免疫反應(yīng)或多級(jí)氧化應(yīng)激，從而影響心肌功能。因此，天津大學(xué)劉文廣教授、王瑋副教授團(tuán)隊(duì)再次針對(duì)這些問(wèn)題開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)出了一種在體內(nèi)動(dòng)態(tài)潮濕環(huán)境下具有優(yōu)異粘附性的免縫合導(dǎo)電水凝膠貼片，能夠方便快速地涂抹于心肌，成功探索出梗死心肌修復(fù)的新途徑8。

圖8-導(dǎo)電性和黏附性水凝膠的形成原理，并通過(guò)在SD大鼠心肌表面直接涂畫應(yīng)用示意圖。

研究團(tuán)隊(duì)首先將多巴胺和吡咯基團(tuán)引入超支化聚合物；然后再用Fe3+作為多功能引發(fā)劑，使超支化結(jié)構(gòu)中的吡咯和多巴胺基團(tuán)同時(shí)發(fā)生聚合，從而賦予凝膠優(yōu)異的導(dǎo)電性和濕態(tài)粘附性，獲得一種免縫合的可涂抹型導(dǎo)電貼片，如圖8。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示成功地將非自由的吡咯基團(tuán)聚合，解決了聚吡咯（Ppy）不溶并難以均一分散到凝膠網(wǎng)絡(luò)的問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)了將原位形成的導(dǎo)電Ppy納米顆粒充當(dāng)交聯(lián)位點(diǎn)，進(jìn)一步促進(jìn)體系的穩(wěn)固和長(zhǎng)期穩(wěn)定的導(dǎo)電性能。這種導(dǎo)電黏附的水凝膠可以方便地涂在心臟表面作為貼劑，不會(huì)造成液體泄漏。電導(dǎo)率相當(dāng)于正常心肌電導(dǎo)率的功能補(bǔ)片在4周內(nèi)與跳動(dòng)的心臟緊密結(jié)合，有效促進(jìn)電生理信號(hào)的傳遞。最終，心功能的重建和梗死心肌的血運(yùn)重建得到顯著改善。研究團(tuán)隊(duì)并將相關(guān)研究成果以“Paintable and Rapidly Bondable Conductive Hydrogels as Therapeutic Cardiac Patches”為題發(fā)表在國(guó)際著名期刊Advanced Materials上。

3.劉明杰課題組

可編程材料可以改變其固有的形狀或性能因而有很好的應(yīng)用前景。形狀漸變聚合物（SMPs）是一種極具吸引力的可編程材料，其對(duì)外部刺激（如溫度、光、溶劑和電場(chǎng)等）能夠產(chǎn)生執(zhí)行轉(zhuǎn)換或動(dòng)作等形式變化。目前，已經(jīng)有兩種常用的方法實(shí)現(xiàn)形狀編程的靈活性，第一種是諸如剪紙、折紙藝術(shù)和3D打印等獲得復(fù)雜SMP形狀的幾何輔助，第二種是通過(guò)使用創(chuàng)新的聚合物網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)來(lái)拓展SMP的可編程性。然而，多數(shù)具有單一控制途徑的SMP只允許復(fù)雜的臨時(shí)形狀恢復(fù)到之前的永久狀態(tài)，最終限制了這些材料的多功能性以及在復(fù)雜應(yīng)用中控制它們的能力。因此，開(kāi)發(fā)具有更高自由度的分級(jí)可編程材料仍然是一個(gè)挑戰(zhàn)。

圖9-超分子異構(gòu)體有機(jī)水凝膠的正交雙可編程機(jī)理示意圖。

由此，北京航空航天大學(xué)劉明杰教授團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)并開(kāi)發(fā)了一種具有異質(zhì)超分子網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的雙重可編程形狀的變形油水凝膠9。如圖9，在該體系中金屬-超分子水凝膠骨架和微有機(jī)凝膠能夠獨(dú)立地響應(yīng)不同的外部刺激，從而提供了正交的雙開(kāi)關(guān)機(jī)制和超高機(jī)械強(qiáng)度。超分子異質(zhì)網(wǎng)絡(luò)還具有優(yōu)異的自愈合性質(zhì)，而且這種正交超分子異質(zhì)網(wǎng)絡(luò)顯示出分級(jí)的形狀變形性能，遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于傳統(tǒng)的形狀變形材料。利用正交超分子異質(zhì)網(wǎng)絡(luò)的雙重編程策略，可以在逐步形變過(guò)程中實(shí)現(xiàn)材料永久形狀的控制，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)具有更高自由度的復(fù)雜形狀變化。并將相關(guān)成果以“Dual-Programmable Shape-Morphing and Self-Healing Organohydrogels Through Orthogonal Supramolecular Heteronetworks”為題發(fā)表在國(guó)際著名期刊Advanced Materials上。

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責(zé)任編輯：韓鑫