东北林大孙铁东教授、哈工大王广通副教授、刘绍琴教授 Mater. Horiz.：一种化学燃料驱动的自复位水凝胶驱动器

2024-12-26 来源：高分子科技

近期，哈尔滨工业大学刘绍琴教授团队的王广通副教授与东北林业大学的孙铁东教授合作，详细研究了聚乙二醇（PEG）水凝胶的碘响应性，并基于此制备了一种化学燃料驱动的自复位水凝胶驱动器。一直以来，水凝胶驱动器（hydrogel actuator）被用于模拟天然肌肉的驱动功能，是一种很有潜力的仿生材料。不过，目前所报道的水凝胶驱动器的连续伸缩，绝大部分是通过反复施加等量相反刺激实现的，如反复地加酸、加碱，反复地升温、降温等。这样不仅操作复杂，而且还会不可避免地引入累计误差。但是，天然肌肉的收缩利用的是ATP向ADP转化时所释放的能量。能量被消耗后，天然肌肉无需外界能量刺激而自发复位成原来的尺寸和形状，以便下一次驱动收缩，这样就避免了上述问题（如图1A）。因此，模仿天然肌肉的驱动机理，制备可自复位的水凝胶驱动器，是制造人工肌肉材料的一种新思路。

图1 天然肌肉和PEGDA-PHPA-PAMPS的自复位驱动机理

如图1B，虽然PEG在很多场合下展现出化学惰性，但是PEG上的氧原子去能和碘单质发生配位，进而导致PEG从亲水变为疏水（Chem. Sci. 2016, 7, 1151）。作者制得PEG凝胶后，首先研究了它的I₂响应性。作者发现，PEG水凝胶遇到I₂后发生明显的失水，同时质地变硬，表面变得疏水。使用还原剂除去I₂后，PEG水凝胶的颜色、尺寸和硬度能够完全复原。随后，作者将PEG水凝胶与惰性的PHPA-PAMPS结合，形成双层的水凝胶驱动器PEGDA-PHPA-PAMPS（图2A-C），再与IO₃^--(NH₂)₂CS的氧化还原反应结合，利用反应产生的中间产物I₂，实现了PEGDA-PHPA-PAMPS的自复位变形。如图2D、E所示，IO₃^-和(NH₂)₂CS加入后，随着中间产物I₂浓度的产生和消失，驱动器可完成一次自复位形变。如图2F，这种自复位形变是可以多次重复的。此外，通过改变驱动器的形状，一些仿生动作，如抓取、扩约、变色等可以很容易地被实现。

该工作以“An iodine-driven muscle-mimicking self-resetting bilayer hydrogel actuator”为题发表在《Materials Horizons》上（Mater. Horiz., 2025, DOI: 10.1039/d4mh01545b）。文章第一作者是东北林业大学硕士生郭康乐。通讯作者为东北林业大学孙铁东教授、哈尔滨工业大学的王广通副教授和刘绍琴教授，该研究得到了黑龙江省自然科学基金的支持。

图2 自复位水凝胶驱动器PEGDA-PHPA-PAMPS的驱动过程

原文链接：https://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2025/mh/d4mh01545b

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（责任编辑：xu）

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