北理工张凯/南科大刘吉Adv. Mater.: 能自发生长的水凝胶

2023-01-03 03:01

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自然界中生物体能够通过自发生长，创造出各类复杂精细的结构，以适应不同的外部环境。与这类完全动态和开放的自生长系统相比，合成材料通常处于静态和封闭系统中。目前，仿生合成材料可以被赋予类天然材料的智能特性（如刺激响应、自适应性、自修复、形状记忆等），广泛应用于传感器、软体机器人、生物医学工程和可穿戴电子设备等新兴领域。然而，设计和制造具备可自发生长特性的合成材料仍然具有一定的挑战性。

近日，北京理工大学宇航学院张凯教授团队联合南方科技大学机械与能源工程系刘吉教授团队在Advanced Materials上发表文章"Bioinspired Self-Growing Hydrogels by Harnessing the Interfacial Polymerization"，提出了一种受生物代谢启发的策略，赋予了人工合成水凝胶材料前所未有的自生长特性，并以这种自生长水凝胶为基础研制了可用于智能驱动和软体机器人领域的致动器，实现了自发、高效、可控的致动功能。

受角质蛋白自生长行为的启发，该团队提出了液态金属和水性单体溶液界面处的连续自由基聚合策略，并实现了水凝胶的自生长和再生长（图1）。团队以丙烯酰胺（AAm）单体为例，液态金属镓铟合金（EGaIn）作为引发剂，EGaIn-AAm水溶液界面处可以连续产生自由基，引发界面处单体聚合，生成PAAm水凝胶；于此同时，EGaIn与水反应生成氢气，在PAAm水凝胶形成气孔，降低水凝胶密度，从而促进生长出的PAAm水凝胶向上移动，并在界面处生长出新的PAAm水凝胶，类似于指甲和头发处角质蛋白的自生长现象。

该团队进一步将先前自生长得到的PAAm水凝胶添加到AAm单体溶液中，发现水凝胶可以继续生长，表现出连续再生长的特征。该团队也证实了这一自生长策略适用于多种水凝胶材料体系，包括丙烯酰胺（如AAm）、丙烯酸酯（如甲基丙烯酸2-羟乙基酯，HEMA）和多元网络（如经典的PAAm/alginate韧性水凝胶）。

图1. 自生长水凝胶设计原理及实现方法

随着水凝胶材料的自发连续生长，在特定的容器管道内，这类自生长水凝胶可以沿着通道向上延伸（图2a-d），最终到达上层苹果形容器内。这种水凝胶的自生长行为成功模拟自然爬藤现象，在软壁攀爬机器人中显示出巨大的前景。与传统软机器人相比，自生长水凝胶在小型弯曲管道方面具有明显的优势，尤其是对于那些无法由大型机械操作的微通道。

受这种自然植物“破土而出”启发，该团队将上述自生长的“动力”转化为“驱动力”，设计了一种基于自生长水凝胶的高效致动器（图2e-f），成功将一特定容器打开（约需53N）。现阶段，大部分水凝胶致动器通常需要光/热/电等外界能量触发，该团队研发的高含水量自生长水凝胶（71.5 wt.%）不需要输入任何额外能量的输入，而且功率密度（单位体积的驱动力）显著高于已报道水凝胶类致动器。基于此，这些自生长水凝胶易于使用、可控、高效，特别适合用于微型设备或自发致动器。

图2. 自生长水凝胶模仿自然藤本植物攀爬行为、作为致动器。

北京理工大学宇航学院2019级博士研究生渐南南为论文第一作者，北京理工大学宇航学院张凯教授和南方科技大学机械与能源工程系刘吉教授为共同通讯。北京理工大学为论文第一单位。该研究得到国家自然科学基金、广东省自然科学基金、广东大学教育厅科研平台和项目、深圳市基础研究计划、深圳市仿生机器人与智能系统重点实验室、广东省普通高校人体增强与康复机器人重点实验室等经费支持。