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港大徐立之團(tuán)隊(duì) ACS Nano：可光熱融合的強(qiáng)韌磁性水凝膠
2023-05-07  來(lái)源：高分子科技

  能夠?qū)Υ艌?chǎng)響應(yīng)轉(zhuǎn)化的水凝膠在柔性致動(dòng)器和生物醫(yī)學(xué)機(jī)器人方面具有巨大的應(yīng)用前景。然而，在磁性水凝膠中實(shí)現(xiàn)高機(jī)械強(qiáng)度和良好的可制造性仍然具有挑戰(zhàn)性。




  基于仿生納米纖維網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)，香港大學(xué)徐立之教授團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)了一類磁性復(fù)合水凝膠，具有優(yōu)異的機(jī)械性能和光熱焊接/愈合能力。在這些水凝膠中，通過(guò)功能組分的逐步組裝實(shí)現(xiàn)了由芳綸納米纖維（ANF）、四氧化三鐵納米顆粒和聚乙烯醇（PVA）的組成的雜化納米纖維網(wǎng)絡(luò)。納米尺度成分之間的相互作用使材料易于加工制備，并賦予了出色的機(jī)械性能、磁性、含水量和孔隙度的組合。此外，四氧化三鐵納米顆粒的光熱性質(zhì)使得水凝膠可以由近紅外激光焊接，提供了一種多功能的手段來(lái)制造具有定制設(shè)計(jì)的異質(zhì)結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)多種復(fù)雜的磁致動(dòng)模式。該水凝膠在可植入的軟體機(jī)器人、藥物傳遞系統(tǒng)、人機(jī)交互和其他技術(shù)方面有進(jìn)一步應(yīng)用前景。相關(guān)研究成果以“High-Strength Magnetic Hydrogels with Photoweldability Made by Stepwise Assembly of Magnetic-Nanoparticle-Integrated Aramid Nanofiber Composites”發(fā)表在《ACS Nano》期刊，香港大學(xué)機(jī)械工程系博士后（現(xiàn)美國(guó)伊利諾伊大學(xué)厄巴納-香檳分校博士后）汪佐辰和香港大學(xué)機(jī)械工程系博士生朱恒佳為共同第一作者，徐立之教授為本文通訊作者。 



  圖一介紹了基于超連通ANF復(fù)合材料衍生的堅(jiān)韌和可拉伸磁性水凝膠。為了大規(guī)模制備具有理想性能的復(fù)合水凝膠，采用逐步組裝的策略（圖1a）。掃描電子顯微鏡展示四氧化三鐵納米顆粒附著于納米纖維上，并沒(méi)有出現(xiàn)明顯的粒子集聚或?qū)τ谌S互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的改變（圖1c-d）。此外，由于四氧化三鐵納米顆粒固有的超順磁性和光熱性質(zhì)，ANF-Fe3O4-PVA和ANF-PVA水凝膠可以進(jìn)一步利用近紅外焊接形成可定制的磁響應(yīng)異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)（圖1e-g） 



  圖二表征了ANF-Fe3O4-PVA水凝膠的機(jī)械性能。由于具有混合納米纖維網(wǎng)絡(luò)，ANF-Fe3O4-PVA水凝膠具有較高的力學(xué)強(qiáng)度和可拉伸性（圖2a-b）。為了定量分析其力學(xué)性能，對(duì)純ANF-PVA水凝膠和不同濃度納米顆粒的ANF-Fe3O4-PVA水凝膠進(jìn)行了拉伸和壓縮測(cè)試（表S2）。磁性復(fù)合水凝膠表現(xiàn)出高強(qiáng)度（1.32-2.4 MPa）和可伸縮性（53.3%-66.6%），與純ANF-PVA水凝膠類似（圖2c-e）。 



  圖三探究了近紅外（NIR）激光焊接。在最大功率為0.5W的NIR激光輻照下，水凝膠ANF-Fe3O4-PVA-1（7.3 wt％ 四氧化三鐵納米顆粒）的溫度在5秒鐘內(nèi)升至470°C（圖3a）。可用于焊接分離的水凝膠條帶并實(shí)現(xiàn)高效的愈合效果（圖3b-c）。這類高效升溫過(guò)程可以歸因于四氧化三鐵納米顆粒在納米纖維表面的高密度分布（圖3d-f）。在NIR照射下，升高的溫度提高了高分子復(fù)合材料的流動(dòng)性以促進(jìn)連接和融合。 



  這種基于芳綸材料的焊接和修復(fù)方法有助于改進(jìn)器件制造和材料回收利用（圖4）。異質(zhì)焊接的策略提供了一種可定制、模塊化的方法，可以將具有不同功能的各種組件整合在一起。 



  圖5展示了軟致動(dòng)器的應(yīng)用。對(duì)于ANF-Fe3O4-PVA水凝膠，由于它們的光熱焊接性能，它們可以與非磁性的ANF-PVA水凝膠集成，通過(guò)混合結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)調(diào)制、可控的致動(dòng)模式（圖5a）。通過(guò)不同的焊接模式，致動(dòng)器表現(xiàn)出不同的變形（圖5c-e）。


  本文介紹了一種簡(jiǎn)便、可擴(kuò)展的方法，用于制備機(jī)械強(qiáng)度高的磁性水凝膠，并具有軟體機(jī)器人和遙控生物醫(yī)學(xué)致動(dòng)器的潛在應(yīng)用。使用近紅外焊接方法，可以實(shí)現(xiàn)定制設(shè)計(jì)的異質(zhì)結(jié)構(gòu)，并有可能實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的變形模式。此外，徐立之團(tuán)隊(duì)近期工作展示了將各種微電子傳感器和電活性聚合物集成到基于ANF-PVA的材料上的能力。與柔性電子學(xué)相結(jié)合，多功能水凝膠平臺(tái)可以以閉環(huán)方式實(shí)現(xiàn)更復(fù)雜的感知和致動(dòng)能力；旌显O(shè)備平臺(tái)可以在可植入的外科手術(shù)工具、人機(jī)交互、藥物的受控釋放、光熱治療和許多其他技術(shù)中實(shí)現(xiàn)多樣化的應(yīng)用。


  論文鏈接：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsnano.3c03156


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