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哈工大劉宇艷教授團隊《Mater. Horiz.》：在較窄的響應溫度區(qū)間內(nèi)呈現(xiàn)優(yōu)異的可逆驅動特性的雙向形狀記憶聚合物
2023-04-23  來源：高分子科技

  雙向形狀記憶聚合物(2W-SMPs)的可逆驅動特性為軟致動器(soft actuators)的設計制造提供了更多的選擇。近年來, 諸多類型的2W-SMPs已經(jīng)被報道，但這些材料有一個不可回避的事實: 當它們發(fā)生顯著的/不顯著的可逆驅動時，其響應溫度Thigh和Tlow總是形成一個很寬的溫度范圍(33-70oC)。因此，當2W-SMP被設計為軟執(zhí)行機構時(例如, 醫(yī)療用微管道機器人)，材料寬的響應溫度范圍和不顯著的可逆驅動特性會對其執(zhí)行一些復雜的邏輯操作產(chǎn)生極大地限制。這些限制包括實時制造響應溫度場的難度，可能產(chǎn)生的結構損壞(如組織損傷)以及微弱的動作響應。


  近期，哈爾濱工業(yè)大學化工與化學學院劉宇艷教授團隊合成了在較窄的響應溫度范圍內(nèi)獲得具有優(yōu)異的可逆驅動特性的2W-SMP，這種材料在執(zhí)行可逆驅動行為時，極大地弱化了制造實時響應溫度場的難度。其原理基于形狀記憶聚合物網(wǎng)絡的驅動域在結晶熱力學上具有可調(diào)性。這種可調(diào)性來源于Poly(octylene adipate) (POA)晶體和Poly(e-caprolactone) (PCL)晶體所形成的異質(zhì)同二晶(共晶)機制(圖1)，這允許合成的C-POAxPCLy聚合物網(wǎng)絡具有如下兩個特征：1) 網(wǎng)絡具有良好的結晶能力；2) 網(wǎng)絡具有寬的可調(diào)的結晶(熔融)轉變。因此，通過調(diào)整網(wǎng)絡中POA或PCL的組成，可以實現(xiàn)可調(diào)的響應溫度Thigh和顯著的可逆驅動應變(Δεrev, 單軸)。當執(zhí)行顯著的Δεrev時，發(fā)現(xiàn)單個網(wǎng)絡可以選擇多個響應溫度Thigh。此外，POA和PCL晶體在非等溫結晶動力學上的差異導致了聚合物網(wǎng)絡的響應溫度Tlow也是可調(diào)的。更重要的是，通過在適當?shù)臏囟确秶鷥?nèi)調(diào)整響應溫度Tlow，聚合物網(wǎng)絡的可逆驅動程度衰減較小。因此，C-POAxPCLy共聚交聯(lián)體系可以同時裁剪響應溫度Thigh和Tlow，并且還可以保持優(yōu)異的Δεrev。作為首選，C-POA3PCL7共聚物網(wǎng)絡在響應溫度范圍為24℃(Thigh：43℃，Tlow：19℃) 顯示了超過17%的可逆驅動應變。最后，團隊還討論了C-POA3PCL7共聚物網(wǎng)絡作為潛在的非永久植入生物醫(yī)學執(zhí)行器的優(yōu)勢，并借鑒藥物涂層球囊(DCB)技術設計了具有藥物釋放和載具回收功能的醫(yī)用體微管機器人(圖2)。這項工作針對于突破2W-SMPs材料的實際應用限制，特別是為2W-SMPs應用在生物醫(yī)學領域提供了積極的參考。該工作以“Narrow response temperature range with excellent reversible shape memory effect for semi-crystalline networks as soft actuators”為題發(fā)表在《Materials Horizons》上（DOI: 10.1039/d3mh00270e）。文章第一作者是哈爾濱工業(yè)大學池得權博士。該研究得到國家自然科學基金委的支持。

 

圖1 C-POAxPCLy聚合物網(wǎng)絡的構建機制以及其雙向形狀記憶行為


 圖2 C-POA3PCL7的雙向形狀記憶曲線以及其在生物醫(yī)學領域的應用模型


  原文鏈接：https://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2023/MH/D3MH00270E

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

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（責任編輯：xu）
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