我校材料科学与工程学院隋坤艳、范汶鑫教授团队在《Angew. Chem. Int. Ed.》发表研究成果

新闻网讯 近日，我校材料科学与工程学院隋坤艳、范汶鑫教授团队在水凝胶致动器方面取得重要进展，相关研究成果以“Polyelectrolyte-Mediated Modulation of Spatial Internal Stresses of Hydrogels for Complex 3D Actuators”为题发表在国际顶级学术期刊《Angew. Chem. Int. Ed.》（《德国应用化学》）。该论文第一作者为材料科学与工程学院硕士研究生段静华，通讯作者为我校隋坤艳教授、范汶鑫教授和复旦大学聂志鸿教授，我校为论文第一完成单位。

自变形水凝胶致动器在生物医学、软机器人、药物输送、生物传感器等领域具有巨大应用前景。水凝胶自变形能力源于其内部的各向异性微结构，传统构建策略只适用于2D自变形水凝胶致动器的构建，严重限制了其应用范围。近年来，如何实现3D自变形水凝胶致动器的构建成为该领域研究焦点。目前，科研工作者提出在构建2D水凝胶各向异性微结构的过程中同时引入空间分布内应力，通过该内应力释放将其转换为3D水凝胶致动器的构建思路。其中，内应力引入的关键是诱导水凝胶网络在聚合过程中自发收缩，然而，现有水凝胶自收缩机制引入的内应力较小、聚合物材料选择有限，无法用于高性能复杂3D结构的构建。

为此，该研究报道了一种聚电解质介导的水凝胶自收缩机制，可诱导水凝胶内部产生空间图案化内应力，从而实现3D自变形水凝胶致动器的简单可控构建。该研究证实，在水凝胶前驱体中溶液中引入聚电解质，可产生三种重要作用：1)聚电解质与水凝胶网络形成氢键与静电相互作用，显著降低凝胶内部的渗透压，导致水凝胶聚合过程中自发收缩；2）围绕水凝胶网络周围的高渗透压聚电解质溶液可诱导凝胶进一步收缩；3）基于聚电解质产生的物理交联可显著提升水凝胶机械性能。因此，基于上述三种作用实现了高强高韧且具有多重复杂变形能力的3D自变形水凝胶致动器的构建。此外，作者还基于Flory-Rehner理论建立了聚电解质介导水凝胶收缩的理论模型，可用于水凝胶聚合过程中收缩率和内应力的精确调节。该聚电解质介导收缩机制为高强韧3D水凝胶致动器的制备开辟了全新道路。

该团队一直聚焦于仿生功能水凝胶材料的研究，至今在Science Advances、Angewandte Chemie International Edition、ACS Nano、Advanced Functional Materials、Materials Horizons、Small等发表高水平科研论文多篇。

论文链接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/ange.202410383