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港大徐立之團隊 ACS Nano:可光熱融合的強韌磁性水凝膠
2023-05-07  來源:高分子科技

  能夠?qū)Υ艌鲰憫?yīng)轉(zhuǎn)化的水凝膠在柔性致動器和生物醫(yī)學(xué)機器人方面具有巨大的應(yīng)用前景。然而,在磁性水凝膠中實現(xiàn)高機械強度和良好的可制造性仍然具有挑戰(zhàn)性。




  基于仿生納米纖維網(wǎng)絡(luò)設(shè)計,香港大學(xué)徐立之教授團隊開發(fā)了一類磁性復(fù)合水凝膠,具有優(yōu)異的機械性能和光熱焊接/愈合能力。在這些水凝膠中,通過功能組分的逐步組裝實現(xiàn)了由芳綸納米纖維(ANF)、四氧化三鐵納米顆粒和聚乙烯醇(PVA)的組成的雜化納米纖維網(wǎng)絡(luò)。納米尺度成分之間的相互作用使材料易于加工制備,并賦予了出色的機械性能、磁性、含水量和孔隙度的組合。此外,四氧化三鐵納米顆粒的光熱性質(zhì)使得水凝膠可以由近紅外激光焊接,提供了一種多功能的手段來制造具有定制設(shè)計的異質(zhì)結(jié)構(gòu),實現(xiàn)多種復(fù)雜的磁致動模式。該水凝膠在可植入的軟體機器人、藥物傳遞系統(tǒng)、人機交互和其他技術(shù)方面有進一步應(yīng)用前景。相關(guān)研究成果以“High-Strength Magnetic Hydrogels with Photoweldability Made by Stepwise Assembly of Magnetic-Nanoparticle-Integrated Aramid Nanofiber Composites”發(fā)表在《ACS Nano》期刊,香港大學(xué)機械工程系博士后(現(xiàn)美國伊利諾伊大學(xué)厄巴納-香檳分校博士后)汪佐辰和香港大學(xué)機械工程系博士生朱恒佳為共同第一作者,徐立之教授為本文通訊作者。 



  圖一介紹了基于超連通ANF復(fù)合材料衍生的堅韌和可拉伸磁性水凝膠。為了大規(guī)模制備具有理想性能的復(fù)合水凝膠,采用逐步組裝的策略(圖1a)。掃描電子顯微鏡展示四氧化三鐵納米顆粒附著于納米纖維上,并沒有出現(xiàn)明顯的粒子集聚或?qū)τ谌S互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的改變(圖1c-d)。此外,由于四氧化三鐵納米顆粒固有的超順磁性和光熱性質(zhì),ANF-Fe3O4-PVA和ANF-PVA水凝膠可以進一步利用近紅外焊接形成可定制的磁響應(yīng)異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)(圖1e-g) 



  圖二表征了ANF-Fe3O4-PVA水凝膠的機械性能。由于具有混合納米纖維網(wǎng)絡(luò),ANF-Fe3O4-PVA水凝膠具有較高的力學(xué)強度和可拉伸性(圖2a-b)。為了定量分析其力學(xué)性能,對純ANF-PVA水凝膠和不同濃度納米顆粒的ANF-Fe3O4-PVA水凝膠進行了拉伸和壓縮測試(表S2)。磁性復(fù)合水凝膠表現(xiàn)出高強度(1.32-2.4 MPa)和可伸縮性(53.3%-66.6%),與純ANF-PVA水凝膠類似(圖2c-e)。 



  圖三探究了近紅外(NIR)激光焊接。在最大功率為0.5W的NIR激光輻照下,水凝膠ANF-Fe3O4-PVA-1(7.3 wt% 四氧化三鐵納米顆粒)的溫度在5秒鐘內(nèi)升至470°C(圖3a)。可用于焊接分離的水凝膠條帶并實現(xiàn)高效的愈合效果(圖3b-c)。這類高效升溫過程可以歸因于四氧化三鐵納米顆粒在納米纖維表面的高密度分布(圖3d-f)。在NIR照射下,升高的溫度提高了高分子復(fù)合材料的流動性以促進連接和融合。 



  這種基于芳綸材料的焊接和修復(fù)方法有助于改進器件制造和材料回收利用(圖4)。異質(zhì)焊接的策略提供了一種可定制、模塊化的方法,可以將具有不同功能的各種組件整合在一起。 



  圖5展示了軟致動器的應(yīng)用。對于ANF-Fe3O4-PVA水凝膠,由于它們的光熱焊接性能,它們可以與非磁性的ANF-PVA水凝膠集成,通過混合結(jié)構(gòu)實現(xiàn)調(diào)制、可控的致動模式(圖5a)。通過不同的焊接模式,致動器表現(xiàn)出不同的變形(圖5c-e)。


  本文介紹了一種簡便、可擴展的方法,用于制備機械強度高的磁性水凝膠,并具有軟體機器人和遙控生物醫(yī)學(xué)致動器的潛在應(yīng)用。使用近紅外焊接方法,可以實現(xiàn)定制設(shè)計的異質(zhì)結(jié)構(gòu),并有可能實現(xiàn)復(fù)雜的變形模式。此外,徐立之團隊近期工作展示了將各種微電子傳感器和電活性聚合物集成到基于ANF-PVA的材料上的能力。與柔性電子學(xué)相結(jié)合,多功能水凝膠平臺可以以閉環(huán)方式實現(xiàn)更復(fù)雜的感知和致動能力。混合設(shè)備平臺可以在可植入的外科手術(shù)工具、人機交互、藥物的受控釋放、光熱治療和許多其他技術(shù)中實現(xiàn)多樣化的應(yīng)用。


  論文鏈接:https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsnano.3c03156


  課題組網(wǎng)頁:xulizhi.hku.hk

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