热致多形可塑水凝胶：单组份短烷烃链构筑非晶态，梯度式疏水团簇
2019-11-29 13:37:05
作者：本网整理 来源：高分子科学前沿
热诱导形状记忆水凝胶 （TSMH）可以通过简单的温度"指令"触发可编程形变。目前为止，水凝胶的多重临时变形需要多种外部刺激或多种热响应交联位点。此外，水凝胶形状的再加工也是一个挑战。这些复杂的先决条件对水凝胶的可编程性和应用相关形状的自定义提出了挑战。最近广东工业大学的小伙伴们发现了一种热可编程-可塑的多形水凝胶。这种水凝胶的网络由一种聚乙烯醇衍生物组成。该衍生物由聚乙烯醇的羟基取代单组分辛基链合成的。这些单组分辛基侧链通过水汽交换和在水中加热形成分散的团簇，强度梯度较大。这些广泛分布的疏水团簇充当可切换的片段和动态网络点，分别提供多个(例如五倍)临时形状和可编辑的永久形状，从而实现复杂的和设计好的形状变化。（图1）
图1 实现多个临时形状与可塑的永久形状耦合的设计原则（a）短烷基侧链改性聚乙烯醇(PVA)衍生物的结构以及疏水团簇的强度分布。（b）实现多种临时形状和可编辑永久形状的PVA-n-x-gel的结构演变，
图2 热诱导的水凝胶的多重形状记忆效应（a）水凝胶三重形状记忆效应的演示（b）定量热力学分析三重形状记忆（c）定量热力学分析五重形状记忆（d）利用五重形状记忆效应模拟植物开花
图3 热诱导的可塑性水凝胶（a）在不同温度下的应力松弛曲线（b）在90度下的连续应力松弛（c）热可塑性水凝胶的演示（d）利用压印策略的表面微图案示意图
我们结合折纸、剪纸的技术，把一个简单的初始形状，通过高温塑性成复杂的永久形状。在复杂的永久形状基础上，再在低温下对永久形状进行编程，编程为几个临时形状，而且在加热的条件下又可以依次回复到永久形状。通过结合压印技术，可以实现多维形状的累积。（图4）
图4 热可塑性与形状记忆效应的耦合。（a）热可塑性形状记忆水凝胶的定量热力学分析循环（b）通过折纸、剪纸的方法赋予其复杂初始形状以及可编程的形状记忆过程演示（c）通过结合可塑性与形状记忆效应，通过压印技术实现多维形状的操纵演示。
最后，我们发现通过耦合形状记忆效应和热可塑性，证明了我们的PVA-8-50-gel可以在一维衬底上进行热诱导的双向缠绕。这种功能不仅允许自装配到组织(如周围神经)上形成3D整合接触，而且可以轻松的实现与组织的自分离。（图5）
图5 PVA-8-50-gel在一维衬底周围的热诱导双向缠绕，实现植入物的远程控制安装/拆卸行为。(a) PVA-8-50凝胶永久和临时形状的设计示意图。(b) PVA-8-50-gel在塑料线周围随温度变化的双向缠绕行为的示意图和演示。
广工的小伙伴们认为该工作的主要意义为：通过实验证实了单一组分的非晶态疏水团簇交联位点有可能实现多重热转变峰，进而提供多重形变和塑性能力。而以往的工作往往依赖于设计复杂的，多组分交联位点来达到该目的。另外，广工的小伙伴们也希望强调，该工作（发表在：ACS Appl. Mater. Interfaces2019, 11, 46, 43622-43630）和他们的上一个相关工作（ACS Appl. Mater. Interfaces 2019, 11, 21, 19554-19564；）进一步证实了短烷烃链构成的非晶型疏水团簇，不但可以提供强韧的力学性能，也可以实现复杂的形变能力。
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