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山東大學(xué)王旭教授 Adv. Sci.：受含羞草啟發(fā)具有高能量密度與可多重回收的體溫響應(yīng)性形狀記憶聚合物網(wǎng)絡(luò)
2024-08-18  來源：高分子科技

  在自然界中，生物普遍具有動態(tài)適應(yīng)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(xiàn)象啟發(fā)，科學(xué)家開發(fā)出一系列可模擬自然界生物的響應(yīng)行為的形狀記憶聚合物 (SMP)。這些聚合物能夠進(jìn)行類似生命體的運動，包括擴(kuò)張、收縮和彎曲，以及更復(fù)雜的動作，因此有望被應(yīng)用于生物醫(yī)學(xué)、智能運動和貨物處理等眾多領(lǐng)域。根據(jù)刺激源的不同，SMP可被分類為溫度響應(yīng)型、電響應(yīng)型和光響應(yīng)型等等。其中，溫度響應(yīng)型 SMP 因其出色的穩(wěn)定性、可靠性和易于控制而尤為引人注目。SMP 的觸發(fā)溫度和能量密度對于其在生物醫(yī)學(xué)和智能傳感中的實際應(yīng)用起著至關(guān)重要的作用。過低的觸發(fā)溫度會使得SMP很難在室溫下保持其預(yù)設(shè)形狀。過高的觸發(fā)溫度則會限制SMP在人體中的應(yīng)用，因為高于 50°C 的溫度會導(dǎo)致不可逆的組織損傷。因此，開發(fā)在理想觸發(fā)溫度下運行并保持高能量密度的熱響應(yīng) SMP 至關(guān)重要。據(jù)此，山東大學(xué)王旭教授課題組在Advanced Science上以研究論文的形式發(fā)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(qū)動、自修復(fù)和可持續(xù)特性中汲取靈感，我們設(shè)計了一個具有高能量密度和多回收性的 SMP 網(wǎng)絡(luò)，該網(wǎng)絡(luò)能具有可逆驅(qū)動、自修復(fù)、可回收和可降解的特性，能夠隨著溫度的升高從堅硬變?yōu)槿犴g。該SMP具有高達(dá) 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(zhí)行各種任務(wù)。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(wǎng)絡(luò)在人體溫度附近具有較慢的形狀恢復(fù)速率，有望作為可植入性材料被應(yīng)用于解決急性阻塞等醫(yī)學(xué)問題。該SMP網(wǎng)絡(luò)內(nèi)動態(tài)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(fù)、再加工和降解能力。因此，作為一種具有高實用性和環(huán)境友好型的新型材料，其有望被應(yīng)用于生物醫(yī)學(xué)設(shè)備、軟機(jī)器人和智能執(zhí)行器等領(lǐng)域。


圖1. (a) 含羞草植物在刺激前后的形態(tài)變化。（b）受含羞草啟發(fā)的SMP網(wǎng)絡(luò)刺激前后的圖片。(c)  PBDx聚合物的合成過程示意圖 (d)  PBD0.5 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PBD0.5樣品在25℃和60℃下的邵氏硬度、楊氏模量、韌性、沖擊強(qiáng)度和能量吸收的雷達(dá)圖。


圖2. (a) 環(huán)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(huán)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(fù)過程。(b-d) 樣品在25、37 和60℃下的形狀恢復(fù)過程中的恢復(fù)速率與時間的關(guān)系。(e) 演示樣品支架在37℃下的形狀恢復(fù)過程。(f) 樣品支架在37 ℃下的形狀恢復(fù)過程中的恢復(fù)速率與時間的關(guān)系。(g)展示了樣品在血管支架中的潛在應(yīng)用。


圖4. (a) 樣品在不同溫度下的應(yīng)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(fù)前后的數(shù)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(shù)碼照片。 (f) 完整樣品和焊接后的樣品應(yīng)力-應(yīng)變曲線。(g) 熱壓的熱壓回收過程。 (h) 樣品經(jīng)過三次熱壓循環(huán)后的 FTIR 光譜和（i）應(yīng)力-應(yīng)變曲線。


  感謝國家自然科學(xué)基金和山東省自然科學(xué)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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