港大徐立之团队 ACS Nano：可光热融合的强韧磁性水凝胶

2023-05-07 来源：高分子科技

能够对磁场响应转化的水凝胶在柔性致动器和生物医学机器人方面具有巨大的应用前景。然而，在磁性水凝胶中实现高机械强度和良好的可制造性仍然具有挑战性。

基于仿生纳米纤维网络设计，香港大学徐立之教授团队开发了一类磁性复合水凝胶，具有优异的机械性能和光热焊接/愈合能力。在这些水凝胶中，通过功能组分的逐步组装实现了由芳纶纳米纤维（ANF）、四氧化三铁纳米颗粒和聚乙烯醇（PVA）的组成的杂化纳米纤维网络。纳米尺度成分之间的相互作用使材料易于加工制备，并赋予了出色的机械性能、磁性、含水量和孔隙度的组合。此外，四氧化三铁纳米颗粒的光热性质使得水凝胶可以由近红外激光焊接，提供了一种多功能的手段来制造具有定制设计的异质结构，实现多种复杂的磁致动模式。该水凝胶在可植入的软体机器人、药物传递系统、人机交互和其他技术方面有进一步应用前景。相关研究成果以“High-Strength Magnetic Hydrogels with Photoweldability Made by Stepwise Assembly of Magnetic-Nanoparticle-Integrated Aramid Nanofiber Composites”发表在《ACS Nano》期刊，香港大学机械工程系博士后（现美国伊利诺伊大学厄巴纳-香槟分校博士后）汪佐辰和香港大学机械工程系博士生朱恒佳为共同第一作者，徐立之教授为本文通讯作者。

图一介绍了基于超连通ANF复合材料衍生的坚韧和可拉伸磁性水凝胶。为了大规模制备具有理想性能的复合水凝胶，采用逐步组装的策略（图1a）。扫描电子显微镜展示四氧化三铁纳米颗粒附着于纳米纤维上，并没有出现明显的粒子集聚或对于三维互联网络结构的改变（图1c-d）。此外，由于四氧化三铁纳米颗粒固有的超顺磁性和光热性质，ANF-Fe₃O₄-PVA和ANF-PVA水凝胶可以进一步利用近红外焊接形成可定制的磁响应异质结结构（图1e-g）

图二表征了ANF-Fe₃O₄-PVA水凝胶的机械性能。由于具有混合纳米纤维网络，ANF-Fe₃O₄-PVA水凝胶具有较高的力学强度和可拉伸性（图2a-b）。为了定量分析其力学性能，对纯ANF-PVA水凝胶和不同浓度纳米颗粒的ANF-Fe₃O₄-PVA水凝胶进行了拉伸和压缩测试（表S2）。磁性复合水凝胶表现出高强度（1.32-2.4 MPa）和可伸缩性（53.3%-66.6%），与纯ANF-PVA水凝胶类似（图2c-e）。

图三探究了近红外（NIR）激光焊接。在最大功率为0.5W的NIR激光辐照下，水凝胶ANF-Fe₃O₄-PVA-1（7.3 wt％四氧化三铁纳米颗粒）的温度在5秒钟内升至470°C（图3a）。可用于焊接分离的水凝胶条带并实现高效的愈合效果（图3b-c）。这类高效升温过程可以归因于四氧化三铁纳米颗粒在纳米纤维表面的高密度分布（图3d-f）。在NIR照射下，升高的温度提高了高分子复合材料的流动性以促进连接和融合。

这种基于芳纶材料的焊接和修复方法有助于改进器件制造和材料回收利用（图4）。异质焊接的策略提供了一种可定制、模块化的方法，可以将具有不同功能的各种组件整合在一起。

图5展示了软致动器的应用。对于ANF-Fe₃O₄-PVA水凝胶，由于它们的光热焊接性能，它们可以与非磁性的ANF-PVA水凝胶集成，通过混合结构实现调制、可控的致动模式（图5a）。通过不同的焊接模式，致动器表现出不同的变形（图5c-e）。

本文介绍了一种简便、可扩展的方法，用于制备机械强度高的磁性水凝胶，并具有软体机器人和遥控生物医学致动器的潜在应用。使用近红外焊接方法，可以实现定制设计的异质结构，并有可能实现复杂的变形模式。此外，徐立之团队近期工作展示了将各种微电子传感器和电活性聚合物集成到基于ANF-PVA的材料上的能力。与柔性电子学相结合，多功能水凝胶平台可以以闭环方式实现更复杂的感知和致动能力。混合设备平台可以在可植入的外科手术工具、人机交互、药物的受控释放、光热治疗和许多其他技术中实现多样化的应用。

论文链接：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsnano.3c03156

课题组网页：xulizhi.hku.hk

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（责任编辑：xu）

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