哈工大刘宇艳教授团队《Mater. Horiz.》：在较窄的响应温度区间内呈现优异的可逆驱动特性的双向形状记忆聚合物

2023-04-23 来源：高分子科技

双向形状记忆聚合物(2W-SMPs)的可逆驱动特性为软致动器(soft actuators)的设计制造提供了更多的选择。近年来, 诸多类型的2W-SMPs已经被报道，但这些材料有一个不可回避的事实: 当它们发生显著的/不显著的可逆驱动时，其响应温度T_high和T_low总是形成一个很宽的温度范围(33-70^oC)。因此，当2W-SMP被设计为软执行机构时(例如, 医疗用微管道机器人)，材料宽的响应温度范围和不显著的可逆驱动特性会对其执行一些复杂的逻辑操作产生极大地限制。这些限制包括实时制造响应温度场的难度，可能产生的结构损坏(如组织损伤)以及微弱的动作响应。

近期，哈尔滨工业大学化工与化学学院刘宇艳教授团队合成了在较窄的响应温度范围内获得具有优异的可逆驱动特性的2W-SMP，这种材料在执行可逆驱动行为时，极大地弱化了制造实时响应温度场的难度。其原理基于形状记忆聚合物网络的驱动域在结晶热力学上具有可调性。这种可调性来源于Poly(octylene adipate) (POA)晶体和Poly(e-caprolactone) (PCL)晶体所形成的异质同二晶(共晶)机制(图1)，这允许合成的C-POA_xPCL_y聚合物网络具有如下两个特征：1) 网络具有良好的结晶能力；2) 网络具有宽的可调的结晶(熔融)转变。因此，通过调整网络中POA或PCL的组成，可以实现可调的响应温度T_high和显著的可逆驱动应变(Δε_rev, 单轴)。当执行显著的Δε_rev时，发现单个网络可以选择多个响应温度T_high。此外，POA和PCL晶体在非等温结晶动力学上的差异导致了聚合物网络的响应温度T_low也是可调的。更重要的是，通过在适当的温度范围内调整响应温度T_low，聚合物网络的可逆驱动程度衰减较小。因此，C-POA_xPCL_y共聚交联体系可以同时裁剪响应温度T_high和T_low，并且还可以保持优异的Δε_rev。作为首选，C-POA₃PCL₇共聚物网络在响应温度范围为24℃(T_high：43℃，T_low：19℃) 显示了超过17%的可逆驱动应变。最后，团队还讨论了C-POA₃PCL₇共聚物网络作为潜在的非永久植入生物医学执行器的优势，并借鉴药物涂层球囊(DCB)技术设计了具有药物释放和载具回收功能的医用体微管机器人(图2)。这项工作针对于突破2W-SMPs材料的实际应用限制，特别是为2W-SMPs应用在生物医学领域提供了积极的参考。该工作以“Narrow response temperature range with excellent reversible shape memory effect for semi-crystalline networks as soft actuators”为题发表在《Materials Horizons》上（DOI: 10.1039/d3mh00270e）。文章第一作者是哈尔滨工业大学池得权博士。该研究得到国家自然科学基金委的支持。

图1 C-POA_xPCL_y聚合物网络的构建机制以及其双向形状记忆行为

图2 C-POA₃PCL₇的双向形状记忆曲线以及其在生物医学领域的应用模型

原文链接：https://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2023/MH/D3MH00270E

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

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（责任编辑：xu）

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