山东大学王旭教授 Adv. Sci.：受含羞草启发具有高能量密度与可多重回收的体温响应性形状记忆聚合物网络

2024-08-18 来源：高分子科技

在自然界中，生物普遍具有动态适应性行为，例如含羞草的叶子在被触碰后会快速收缩，受此类现象启发，科学家开发出一系列可模拟自然界生物的响应行为的形状记忆聚合物 (SMP)。这些聚合物能够进行类似生命体的运动，包括扩张、收缩和弯曲，以及更复杂的动作，因此有望被应用于生物医学、智能运动和货物处理等众多领域。根据刺激源的不同，SMP可被分类为温度响应型、电响应型和光响应型等等。其中，温度响应型 SMP 因其出色的稳定性、可靠性和易于控制而尤为引人注目。SMP 的触发温度和能量密度对于其在生物医学和智能传感中的实际应用起着至关重要的作用。过低的触发温度会使得SMP很难在室温下保持其预设形状。过高的触发温度则会限制SMP在人体中的应用，因为高于 50°C 的温度会导致不可逆的组织损伤。因此，开发在理想触发温度下运行并保持高能量密度的热响应 SMP 至关重要。据此，山东大学王旭教授课题组在Advanced Science上以研究论文的形式发表了题为“Mimosa-Inspired Body Temperature-Responsive Shape Memory Polymer Networks: High Energy Densities and Multi-Recyclability”的研究成果。

从含羞草植物的可逆驱动、自修复和可持续特性中汲取灵感，我们设计了一个具有高能量密度和多回收性的 SMP 网络，该网络能具有可逆驱动、自修复、可回收和可降解的特性，能够随着温度的升高从坚硬变为柔韧。该SMP具有高达 1.8 J g^-1的能量密度（约为人体骨骼肌的46倍），因此可以被用于替代人造肌肉执行各种任务。该材料可以在高温下识别和处理物品，因此有望被用作一种智能操纵器。除此之外，该SMP网络在人体温度附近具有较慢的形状恢复速率，有望作为可植入性材料被应用于解决急性阻塞等医学问题。该SMP网络内动态共价键不仅赋予了材料具有出色的耐溶剂性，而且还拥有出色的自修复、再加工和降解能力。因此，作为一种具有高实用性和环境友好型的新型材料，其有望被应用于生物医学设备、软机器人和智能执行器等领域。

图1. (a) 含羞草植物在刺激前后的形态变化。（b）受含羞草启发的SMP网络刺激前后的图片。(c) PBD_x聚合物的合成过程示意图 (d) PBD_0.5 样品在室温下可支撑 2 g重物，而它在60 ℃ 的温度下软化。 (e) 对比PBD_0.5样品在25℃和60℃下的邵氏硬度、杨氏模量、韧性、冲击强度和能量吸收的雷达图。

图2. (a) 环形样品形状记忆行为示意图和实际照片。（b）在形状记忆过程中，环形样品直径随时间的变化。（c）样品在红外光照射下提起物体的示意图和实际照片。（d）样品选择性抓取高温物体的示意图和实际照片。

图3. (a) 演示样品在25、37和60 ℃下的形状恢复过程。(b-d) 样品在25、37 和60℃下的形状恢复过程中的恢复速率与时间的关系。(e) 演示样品支架在37℃下的形状恢复过程。(f) 样品支架在37 ℃下的形状恢复过程中的恢复速率与时间的关系。(g)展示了样品在血管支架中的潜在应用。

图4. (a) 样品在不同温度下的应力松弛曲线。(b) 通过阿伦尼乌斯方程确定样品的活化能。(c)样品修复前后的数码照片。 (d) 切断后的样品焊接过程示意图。(e) 焊接后的样品提升 500 克物体的数码照片。 (f) 完整样品和焊接后的样品应力-应变曲线。(g) 热压的热压回收过程。 (h) 样品经过三次热压循环后的 FTIR 光谱和（i）应力-应变曲线。

感谢国家自然科学基金和山东省自然科学杰出青年基金对该工作的资助。

论文链接：

“Mimosa-Inspired Body Temperature-Responsive Shape Memory Polymer Networks: High Energy Densities and Multi-Recyclability”

http://doi.org/10.1002/advs.202407596

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（责任编辑：xu）

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