新加坡材料所：Hofmeister 效应介导的强 PHEMA-明胶水凝胶致动器

水凝胶在生物医学应用中变得流行，但它们在肌肉和肌腱样生物致动器中的应用受到低韧性和弹性模量的阻碍。最近，霍夫迈斯特效应成功地实现了单个水凝胶网络的显着韧性增强。然而，Hofmeister 效应对混合水凝胶的影响很少，尽管它们具有由两种聚合物组分组成的特殊网络结构。最近，科研人员制造了具有高机械性能和刺激响应的混合聚（甲基丙烯酸 2-羟乙酯）（PHEMA）-明胶水凝胶。PHEMA（刚性）和明胶（延展性）的理想双连续相分离结构在 PHEMA 的三维聚合物网络中嵌入微盘状明胶。Hofmeister 效应对机械性能的显着增强归因于盐析诱导的 PHEMA 和明胶之间更强和更紧密的相间相互作用。通过盐析效应获得了优异的综合力学性能，断裂伸长率超过650%，抗拉强度达到5.2 MPa，韧性达到13.5 MJ/m3，模量达到45.6 MPa。更具体地说，相分离和霍夫迈斯特效应的协同作用使水凝胶在高浓度盐溶液中以增强的模量收缩，而相同的水凝胶在稀溶液中膨胀和松弛，表现出离子刺激响应和优异的形状记忆特性，如那些大多数人造肌肉。这体现在高度拉伸、扭曲和打结的水凝胶条上，可以在稀盐溶液中迅速恢复其原始形状。高强度和模量、离子刺激响应和形状记忆特性使混合水凝胶成为各种生物医学应用中生物驱动器的有前途的材料。

图 7. (a) H30G70 水凝胶条在不同 AS 溶液中浸泡时的长度变化。新鲜水凝胶条的长度定义为原始长度。(b) 浸泡在 0.25 和 3.0 M AS 溶液中的 H30G70 水凝胶条的收缩和膨胀循环的时间曲线。(c) 水凝胶刺激反应研究的演示装置示意图。(d) 水凝胶刺激反应研究的真实装置照片。(e) 浸泡在 0.25 和 3.0 M AS 溶液中的 H30G70 水凝胶条的收缩和膨胀循环随时间变化的照片。

图 8. H30G70 水凝胶条的形状记忆特性照片。

相关论文以题为Hofmeister Effect Mediated Strong PHEMA-Gelatin Hydrogel Actuator发表在《ACS Appl. Mater. Interfaces》上。通讯作者是新加坡材料研究与工程研究所Jun Loh, and FuKe Wang教授。

参考文献:

doi.org/10.1021/acsami.2c01922