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哈工大劉宇艷教授團隊《Mater. Horiz.》：在較窄的響應(yīng)溫度區(qū)間內(nèi)呈現(xiàn)優(yōu)異的可逆驅(qū)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(qū)動特性為軟致動器(soft actuators)的設(shè)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(dāng)它們發(fā)生顯著的/不顯著的可逆驅(qū)動時，其響應(yīng)溫度Thigh和Tlow總是形成一個很寬的溫度范圍(33-70oC)。因此，當(dāng)2W-SMP被設(shè)計為軟執(zhí)行機構(gòu)時(例如, 醫(yī)療用微管道機器人)，材料寬的響應(yīng)溫度范圍和不顯著的可逆驅(qū)動特性會對其執(zhí)行一些復(fù)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(yīng)溫度場的難度，可能產(chǎn)生的結(jié)構(gòu)損壞(如組織損傷)以及微弱的動作響應(yīng)。


  近期，哈爾濱工業(yè)大學(xué)化工與化學(xué)學(xué)院劉宇艷教授團隊合成了在較窄的響應(yīng)溫度范圍內(nèi)獲得具有優(yōu)異的可逆驅(qū)動特性的2W-SMP，這種材料在執(zhí)行可逆驅(qū)動行為時，極大地弱化了制造實時響應(yīng)溫度場的難度。其原理基于形狀記憶聚合物網(wǎng)絡(luò)的驅(qū)動域在結(jié)晶熱力學(xué)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(luò)具有如下兩個特征：1) 網(wǎng)絡(luò)具有良好的結(jié)晶能力；2) 網(wǎng)絡(luò)具有寬的可調(diào)的結(jié)晶(熔融)轉(zhuǎn)變。因此，通過調(diào)整網(wǎng)絡(luò)中POA或PCL的組成，可以實現(xiàn)可調(diào)的響應(yīng)溫度Thigh和顯著的可逆驅(qū)動應(yīng)變(Δεrev, 單軸)。當(dāng)執(zhí)行顯著的Δεrev時，發(fā)現(xiàn)單個網(wǎng)絡(luò)可以選擇多個響應(yīng)溫度Thigh。此外，POA和PCL晶體在非等溫結(jié)晶動力學(xué)上的差異導(dǎo)致了聚合物網(wǎng)絡(luò)的響應(yīng)溫度Tlow也是可調(diào)的。更重要的是，通過在適當(dāng)?shù)臏囟确秶鷥?nèi)調(diào)整響應(yīng)溫度Tlow，聚合物網(wǎng)絡(luò)的可逆驅(qū)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(yīng)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(luò)在響應(yīng)溫度范圍為24℃(Thigh：43℃，Tlow：19℃) 顯示了超過17%的可逆驅(qū)動應(yīng)變。最后，團隊還討論了C-POA3PCL7共聚物網(wǎng)絡(luò)作為潛在的非永久植入生物醫(yī)學(xué)執(zhí)行器的優(yōu)勢，并借鑒藥物涂層球囊(DCB)技術(shù)設(shè)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(yīng)用限制，特別是為2W-SMPs應(yīng)用在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)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(xué)池得權(quán)博士。該研究得到國家自然科學(xué)基金委的支持。

 

圖1 C-POAxPCLy聚合物網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)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(xué)領(lǐng)域的應(yīng)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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