宁波大学赵传壮团队：基于不对称氢键分布策略的多重响应性和水油两栖性水凝胶驱动器

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聚合物水凝胶驱动器在生物医学材料、软机器人和柔性电子等前沿领域具有重要应用价值。目前水凝胶驱动器的制备多通过刺激响应性水凝胶（如具有LCST型温度响应性的聚异丙基丙烯酰胺）和非响应性的柔性基底组合而成。近期，宁波大学赵传壮课题组提出了一种一体化制备水凝胶驱动器的新策略：调控聚合物氢键给体和受体在凝胶内的分布，实现不对称的聚合物间氢键分布，从而赋予凝胶不对称的UCST型体积相转变行为，从而实现多重响应性和两栖性的智能驱动行为（图1）。

图1. 基于不对称氢键分布策略的多重响应性和水油两栖性水凝胶驱动器

研究团队选用了聚丙烯酰胺（PAAm）和聚丙烯酸（PAAc）作为基底，通过不对称光聚合制备了一侧为PAAm单重网络、一侧为PAAc/PAAm双重网络的不对称凝胶。在低温下，双重网络一侧由于PAAc和PAAm间的协同氢键作用发生缔合而收缩，而PAAm单网络层不具备温度响应性，从而推动凝胶发生蜷曲；高温下，PAAc和PAAm间氢键发生解离，凝胶伸展（图2）。

图2. 基于不对称氢键分布策略的水凝胶驱动器的制备路线和响应机理。

通过控制光聚合时间，调控凝胶的不对称程度，从而改变凝胶的驱动效果（图3）。在较短的光照时间，PAAc的聚合不完善，不对称结构不明显；在较长的光照时间，凝胶整体转化为双网络结构，失去不对称性；在适中的聚合时间，不对称性最为强烈，驱动效果也最为明显（图3）。 

图3. 不同光聚合时间下不对称PAAm/PAAc水凝胶的横截面的扫描电子显微镜照片，比例尺长度为50微米。

研究团队在聚合过程中使用了图案化的光掩模，赋予了凝胶图案化的氢键分布，从而使凝胶完成复杂三维运动，如“石头、剪刀、布”等手势和扭曲、螺旋等形状（图4）。研究团队还考查了尿素、盐等物质对于凝胶驱动功能的影响。尿素、NaCl、NaSCN可以干扰聚合物间氢键的形成，从而使凝胶样条伸展；而SO42-可以促进聚合间氢键的形成，使凝胶样条更加蜷曲，符合“Hofmeister序列”的预测。

图4. 图案化PAAm/PAAc水凝胶的复杂三维驱动效果。

此外，该材料具有水油两栖驱动的能力。在水相中，凝胶与环境发生水分交换，从而实现不对称的体积变化；在油相中，凝胶内部发生水分交换，同样可以实现不对称的体积变化从而完成驱动功能（图5）。

图5. 不对称PAAm/PAAc水凝胶在水浴和油浴中的温度响应性驱动效果。

该工作提出了通过不对称的氢键分布制备自驱动材料的新策略，同时实现了温度、离子等多重响应和水、油两栖驱动等效果。以上相关成果于近期发表在ACS Applied Materials & Interfaces上。

该论文第一作者为宁波大学2017级本科生华璐钦，通讯作者为赵传壮副教授。近期，该团队在UCST型温敏聚合物的分子设计和材料设计上取得多项研究进展，相关工作发表在Progress in Polymer Science（2019，90，2019）和Macromolecules（2019，52，4441）上。该论文得到了国家自然科学基金青年项目和浙江省自然科学基金面上项目的资助。

论文链接：

https://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/acsami.9b17159

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