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哈工大劉宇艷教授團隊《Mater. Horiz.》：在較窄的響應溫度區間內呈現優異的可逆驅動特性的雙向形狀記憶聚合物

2023-04-23 來源：高分子科技

雙向形狀記憶聚合物(2W-SMPs)的可逆驅動特性為軟致動器(soft actuators)的設計制造提供了更多的選擇。近年來, 諸多類型的2W-SMPs已經被報道，但這些材料有一個不可回避的事實: 當它們發生顯著的/不顯著的可逆驅動時，其響應溫度T_high和T_low總是形成一個很寬的溫度范圍(33-70^oC)。因此，當2W-SMP被設計為軟執行機構時(例如, 醫療用微管道機器人)，材料寬的響應溫度范圍和不顯著的可逆驅動特性會對其執行一些復雜的邏輯操作產生極大地限制。這些限制包括實時制造響應溫度場的難度，可能產生的結構損壞(如組織損傷)以及微弱的動作響應。

近期，哈爾濱工業大學化工與化學學院劉宇艷教授團隊合成了在較窄的響應溫度范圍內獲得具有優異的可逆驅動特性的2W-SMP，這種材料在執行可逆驅動行為時，極大地弱化了制造實時響應溫度場的難度。其原理基于形狀記憶聚合物網絡的驅動域在結晶熱力學上具有可調性。這種可調性來源于Poly(octylene adipate) (POA)晶體和Poly(e-caprolactone) (PCL)晶體所形成的異質同二晶(共晶)機制(圖1)，這允許合成的C-POA_xPCL_y聚合物網絡具有如下兩個特征：1) 網絡具有良好的結晶能力；2) 網絡具有寬的可調的結晶(熔融)轉變。因此，通過調整網絡中POA或PCL的組成，可以實現可調的響應溫度T_high和顯著的可逆驅動應變(Δε_rev, 單軸)。當執行顯著的Δε_rev時，發現單個網絡可以選擇多個響應溫度T_high。此外，POA和PCL晶體在非等溫結晶動力學上的差異導致了聚合物網絡的響應溫度T_low也是可調的。更重要的是，通過在適當的溫度范圍內調整響應溫度T_low，聚合物網絡的可逆驅動程度衰減較小。因此，C-POA_xPCL_y共聚交聯體系可以同時裁剪響應溫度T_high和T_low，并且還可以保持優異的Δε_rev。作為首選，C-POA₃PCL₇共聚物網絡在響應溫度范圍為24℃(T_high：43℃，T_low：19℃) 顯示了超過17%的可逆驅動應變。最后，團隊還討論了C-POA₃PCL₇共聚物網絡作為潛在的非永久植入生物醫學執行器的優勢，并借鑒藥物涂層球囊(DCB)技術設計了具有藥物釋放和載具回收功能的醫用體微管機器人(圖2)。這項工作針對于突破2W-SMPs材料的實際應用限制，特別是為2W-SMPs應用在生物醫學領域提供了積極的參考。該工作以“Narrow response temperature range with excellent reversible shape memory effect for semi-crystalline networks as soft actuators”為題發表在《Materials Horizons》上（DOI: 10.1039/d3mh00270e）。文章第一作者是哈爾濱工業大學池得權博士。該研究得到國家自然科學基金委的支持。

圖1 C-POA_xPCL_y聚合物網絡的構建機制以及其雙向形狀記憶行為

圖2 C-POA₃PCL₇的雙向形狀記憶曲線以及其在生物醫學領域的應用模型

原文鏈接：https://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2023/MH/D3MH00270E

下載：Narrow response temperature range with excellent reversible shape memory effect for semi-crystalline networks as soft actuators

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（責任編輯：xu）

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