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青科大張建明/宗魯團隊 Small:天然膠乳與水凝膠的取向“邂逅”,強力仿生肌肉水凝膠
2024-02-02  來源:高分子科技

  形狀記憶水凝膠為功能性軟材料提供了廣泛的應用。然而,大多數形狀記憶水凝膠表現出較差的力學性能和低致動強度,這限制了其在智能仿生設備領域的應用。肌肉、肌腱等生物組織具有極強的力學性能和神經電信號響應能力,這與它們的結構與組成密切相關,其力學強度、驅動輸出強度遠超目前各類形狀記憶水凝膠。因此,從結構、組成等方面全方位模擬肌肉組織有望解決形狀記憶水凝膠領域力學強度差、驅動輸出弱等痛點。



  近日,青島科技大學張建明教授、宗魯副教授團隊利用肌肉仿生和微相復合策略,以天然膠乳粒子為功能單元,通過聚乙烯醇(PVA)晶體網絡的重構和天然橡膠拉伸誘導結晶的特性制備肌肉仿生多級取向PVA/天然膠乳復合水凝膠(OPNH)。天然膠乳粒子表面的蛋白質、磷脂等成分提升了PVA與橡膠的界面相容性;得益于PVA和天然膠乳粒子的多級取向結構,OPNH的力學性能表現優異(3.2 MPa);通過溫度輔助的天然橡膠拉伸誘導結晶策略,OPNH表現出出色的驅動強度輸出(206 kPa)、工作容量(105 kJ/m3)、極短的響應時間(~ 2 s)和低響應溫度(2℃)。當舉起相當于其自身重量372倍的負載時,它甚至可以保持類似肌肉的工作能力,為智能仿生肌肉和多刺激響應設備的應用提供了一種新型形狀記憶材料。相關工作以題為Biomimetic multiscale oriented PVA/NRL hydrogel enabled multi-stimulus responsive and smart shape memory actuator的研究性論文發表在國際著名期刊Small上(DOI10.1002/smll.202311240)。青島科技大學高分子學院碩士研究生李照慧為本論文第一作者,通訊作者為青島科技大學宗魯副教授

 

 1. 肌肉仿生多級取向PVA/天然膠乳復合水凝膠(OPNH)的制備及微觀機理圖 


 2. OPNH的多級取向結構及界面相互作用


 3. OPNH各向異性力學性能展示


 4. OPNH形狀記憶過程、形狀記憶能力和驅動輸出強度


 5. OPNH中天然橡膠拉伸誘導結晶的原理探究


 6. OPNH的肌肉仿生性能與形狀記憶展示


  研究人員展示了一種具有肌肉仿生多級取向結構的OPNH水凝膠彈性體及優異的形狀記憶驅動輸出強度。先進的設計原理包括:(1PVA在拉伸干燥過程中網絡結構重排,結晶度提高,各向異性結構得以保留;(2)天然膠乳粒子表面豐富的蛋白質、磷脂等使PVA與橡膠之間的界面相容性良好,OPNH受力時橡膠粒子產生能量耗散,增韌水凝膠;(3)天然橡膠拉伸誘導結晶賦予OPNH極強的驅動輸出能力。基于此,OPNH展現了優異的力學性能和形狀記憶響應能力,為智能仿生肌肉和多刺激響應設備的應用提供了一種新型形狀記憶材料。


  此研究工作得到國家重點研發計劃項目2022YFC2603500, 2022YFC2603502、國家自然科學基金項目(51903134北京化工大學有機無機復合材料國家重點實驗室開放基金項目(oic-202201009)的支持。


  原文鏈接:https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/smll.202311240

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