一种新型结构与厚度梯度水凝胶驱动器

刺激响应性驱动器能够在热、光、pH、湿度、电场等环境刺激下，自发地执行各项动作，在机器人、组织工程和仿生器件等应用中引起了极大的关注。水凝胶作为一种柔性驱动器，能够在小刺激下发生大形变，具有突出的优势。到目前为止，水凝胶驱动器研究已取得了很大的进展，从简单的形变发展到可编程的三维（3D）形变。其中，具有各向异性结构的聚（N-异丙基丙烯酰胺）（PNIPAm）基水凝胶具有良好的热致响应性而被广泛使用。然而要实现其3D形变及快速可逆响应性能还需要解决以下问题：（1）各向异性结构的可控性；（2）因PNIPAm热致失水收缩而导致的尺寸不稳定和回复难以控制的问题。

本室提出了一种简单且通用的一步法制备各向异性水凝胶，在N-异丙基丙烯酰胺（NIPAm）单体中引入聚乙二醇（PEG），采用不对称模板方法制备了具有结构与厚度梯度的各向异性水凝胶A-PNIPAm/PEG。该水凝胶的梯度结构赋予其出色的响应性能，在40^oC下10 s内达到最大弯曲形变（360^o），并且水凝胶保水性和尺寸稳定性得到明显改善。此外，利用该方法还可实现水凝胶的图案化。与已报道的制备方法相比，该方法所制备的水凝胶驱动器具有小尺寸的厚度梯度(1 mm)、高保水性、相变行为多样、图案化及仿生运动可控等优点，为3D形变水凝胶驱动器的设计制备提供了一种新的思路。

图1 A-PNIPAm/PEG水凝胶驱动器的合成示意图(a)，截面SEM图（i-iv分别为A-PNIPAm，A-PNIPAm/PEG100-m (m=1, 2和4)）（b）和微观和宏观结构示意图（c）；（d）A-PNIPAm，A-PNIPAm/PEG_100-m (m=1, 2和4)和I-PNIPAm/PEG水凝胶在40^oC下的响应性能

图2 A-PNIPAm/PEG水凝胶的3D形貌：水凝胶一个（a），两个（b）和四个（c）波点形变的量度，理论和实验图像（比例尺5 mm）

图3 水凝胶的各种3D仿生运动

该成果发表在Macromolecular Rapid Communications（DOI: 10.1002 /marc.202000749）上，并被Wiley Advanced Science News微信公众号邀稿，第一作者为本室博士生杨洋。

原文链接：

https://doi.org/10.1002/marc.202000749

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