Advanced Functional Materials:基于纳米类囊体和热响应聚合物的仿生4D打印可呼吸式水凝胶致动器

智能变形水凝胶系统在药物输送、组织工程和自动化机器人等跨学科领域中具有巨大的应用潜力。近年来,科学家通过学习自然界中植物的微结构,开发了大量的仿生材料来模拟植物的刺激响应性运动,例如形状记忆材料、液晶聚合物和聚合水凝胶等。然而这些研究主要集中在构建受微结构启发的变形致动器上,并不具备植物产生氧气(O2)的能力;此外,传统制备水凝胶致动器的策略很难满足材料梯度和异质结构等方面的要求。因此,开发新的智能材料和制造策略来制备(刺激)动态形变并产生O2的可呼吸式水凝胶致动器,仍是一项具有挑战性的工作。

中科院化学所王树,动物所顾奇课题组联合报道了一种基于类囊体膜(纳米类囊体)和热响应聚合物的仿生4D打印可呼吸式水凝胶致动器。这种具有光热转换和催化特性的智能可呼吸式水凝胶致动器可以仿真模拟植物动态形变及产生O2等生命活动,同时具备水下可控运动的能力,比如通过打印的仿生机械手抓取物体。该论文第一作者为中科院化学所博士研究生赵浩。

研究人员利用菠菜来源的纳米类囊体进行光热转换和H2O2的催化分解;借助热响应聚合物聚(N-异丙基丙烯酰胺)(PNIPA)产生变形力;并进一步利用4D打印双层聚(N-异丙基丙烯酰胺)/聚丙烯酰胺(PNIPA/PAA)的不对称结构放大机械运动。研究人员详细研究了纳米类囊体水凝胶的光热转换性能和不同结构致动器的机械运动特性;展示了四臂花形水凝胶致动器的热响应开关行为和水下可逆循环变形的潜力;实现了近红外光驱动的仿生植物系统呼吸和可控形变活动。该研究工作为智能水凝胶设计提供了一种全新策略,为4D打印技术仿生能力提升开辟了新方向,并为自动化机器人和智能生物医学器件领域提供了极具前景的候选材料。

上述研究工作得到了中国科学院战略性先导科技专项(XDA16020804、XDA16020802)和国家自然科学基金项目(21661132006)的支持。

论文信息:

Biomimetic 4D-Printed Breathing Hydrogel Actuators by Nanothylakoid and Thermoresponsive Polymer Networks

Hao Zhao, Yiming Huang, Fengting Lv, Libing Liu, Qi Gu*, Shu Wang*

Advanced Functional Materials

DOI: 10.1002/adfm.202105544

原文链接:https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.202105544