北理工團隊在自生長水凝膠領域取得重要進展
發布日期：2023-03-24 供稿：宇航學院 攝影：宇航學院
編輯：趙亞康 審核：龍騰 閱讀次數：
近期，北京理工大學張凱教授團隊在自生長水凝膠方面取得重要進展，相關研究成果以“ Bioinspired Self-Growing Hydrogels by Harnessing the Interfacial Polymerization” 為題發表在國際頂級期刊《Advanced Materials》，并被選為當期封面論文。北京理工大學宇航學院張凱教授和南方科技大學機械與能源工程系劉吉教授為本論文共同通訊作者，宇航學院2019級博士研究生漸南南為論文第一作者。
自然界生物體能夠通過自發生長適應不同的外部環境，與這類完全動態和開放的自生長系統相比，合成材料通常處于靜態和封閉系統中。目前，仿生合成材料可以被賦予類天然材料的智能特性（如刺激響應、自修復等），廣泛應用于傳感器、軟體機器人、生物醫學工程和可穿戴電子設備等新興領域。然而，設計和制造具備可自發生長特性的合成材料仍然具有一定的挑戰性。
針對這一問題，受角質蛋白自生長行為的啟發，團隊提出了液態金屬(EGaIn)和水性單體丙烯酰胺（AAm）溶液界面處的連續自由基聚合策略，賦予了人工合成聚丙烯酰胺（PAAm）水凝膠材料前所未有的自生長特性（圖1 a-c）。進一步將自生長得到的水凝膠添加到單體溶液中，發現水凝膠表現出連續再生長的特征（圖1 d-f）。
圖1. 自生長水凝膠設計原理及實現方法
水凝膠的自生長行為成功模擬自然爬藤現象（圖2 a-d），在軟壁攀爬機器人中顯示出巨大的前景，在小型彎曲管道方面具有明顯的優勢。此外，受自然植物“破土而出”啟發，研究團隊將自生長“動力”轉化為“驅動力”，設計了自生長水凝膠致動器（圖2 e-f），成功將一特定容器打開。與大部分水凝膠致動器需要光/熱/電等外界能量觸發不同，自生長水凝膠致動器不需要輸入任何額外能量，且功率密度顯著高于其他水凝膠致動器，體現出自發、高效、可控的致動功能。
圖2. 自生長水凝膠模仿自然藤本植物攀爬行為、作為致動器
該研究得到了國家自然科學基金、廣東省自然科學基金等經費支持。
論文詳情：Nannan Jian, Rui Guo, Lei Zuo, Yibo Sun, Yu Xue, Ji Liu*, Kai Zhang*, Bioinspired Self-Growing Hydrogels by Harnessing Interfacial Polymerization. Advanced Materials, 2022: 2210609.
全文鏈接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.202210609
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