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新聞網訊 近日，我校材料科學與工程學院隋坤艷、范汶鑫教授團隊在水凝膠致動器方面取得重要進展，相關研究成果以“Polyelectrolyte-Mediated Modulation of Spatial Internal Stresses of Hydrogels for Complex 3D Actuators”為題發表在國際頂級學術期刊《Angew. Chem. Int. Ed.》（《德國應用化學》）。該論文第一作者為材料科學與工程學院碩士研究生段靜華，通訊作者為我校隋坤艷教授、范汶鑫教授和復旦大學聶志鴻教授，我校為論文第一完成單位。

自變形水凝膠致動器在生物醫學、軟機器人、藥物輸送、生物傳感器等領域具有巨大應用前景。水凝膠自變形能力源于其內部的各向異性微結構，傳統構建策略只適用于2D自變形水凝膠致動器的構建，嚴重限制了其應用范圍。近年來，如何實現3D自變形水凝膠致動器的構建成為該領域研究焦點。目前，科研工作者提出在構建2D水凝膠各向異性微結構的過程中同時引入空間分布內應力，通過該內應力釋放將其轉換為3D水凝膠致動器的構建思路。其中，內應力引入的關鍵是誘導水凝膠網絡在聚合過程中自發收縮，然而，現有水凝膠自收縮機制引入的內應力較小、聚合物材料選擇有限，無法用于高性能復雜3D結構的構建。

為此，該研究報道了一種聚電解質介導的水凝膠自收縮機制，可誘導水凝膠內部產生空間圖案化內應力，從而實現3D自變形水凝膠致動器的簡單可控構建。該研究證實，在水凝膠前驅體中溶液中引入聚電解質，可產生三種重要作用：1)聚電解質與水凝膠網絡形成氫鍵與靜電相互作用，顯著降低凝膠內部的滲透壓，導致水凝膠聚合過程中自發收縮；2）圍繞水凝膠網絡周圍的高滲透壓聚電解質溶液可誘導凝膠進一步收縮；3）基于聚電解質產生的物理交聯可顯著提升水凝膠機械性能。因此，基于上述三種作用實現了高強高韌且具有多重復雜變形能力的3D自變形水凝膠致動器的構建。此外，作者還基于Flory-Rehner理論建立了聚電解質介導水凝膠收縮的理論模型，可用于水凝膠聚合過程中收縮率和內應力的精確調節。該聚電解質介導收縮機制為高強韌3D水凝膠致動器的制備開辟了全新道路。

該團隊一直聚焦于仿生功能水凝膠材料的研究，至今在Science Advances、Angewandte Chemie International Edition、ACS Nano、Advanced Functional Materials、Materials Horizons、Small等發表高水平科研論文多篇。

論文鏈接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/ange.202410383