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超分子形状记忆水凝胶新进展

形状记忆高分子材料是一类具有保持临时形状的能力,受到合适的外界刺激时又能恢复初始形状的新型智能材料。与形状记忆合金或陶瓷相比,形状记忆高分子材料具有密度低、可恢复形变量大、易加工成型、形变温度可调等诸多优点,因而在柔性电子、生物医药、航空航天等高科技领域具有广泛的应用前景。然而,目前的相关研究主要集中在热致形状记忆高分子材料。虽然这类热响应性形状记忆材料在很多高科技领域拥有巨大的应用价值,但在加热不便的时候,热致形状记忆高分子并不能充分发挥作用,因而亟需开发可以在室温下实现形状记忆功能的新型高分子材料,尤其是在生物医用、软体机器人和纺织服装应用领域。


近年来,随着超分子科学的发展,具有高度动态可逆特征的非共价作用(例如金属配位作用、主-客体作用和动态共价键等)在制备结构规整、性质可控的功能材料方面表现出显著的优势。2014年以来,中科院宁波材料所智能高分子团队在陈涛研究员(点击查看介绍)和张佳玮研究员(点击查看介绍)的带领下先后将多种可逆作用引入形状记忆高分子材料领域,开发了一系列可以在室温下实现形状记忆功能的新型智能水凝胶材料。研究人员首先将动态硼酸酯键和金属配位作用引入形状记忆高分子材料,构建了具有自修复性能的室温形状记忆水凝胶体系Chem. Commun., 2014, 50, 12277)。他们还通过对可逆作用的选择,获得了具有生物分子响应的形状记忆高分子材料,并显著提高了材料的形状恢复速度Macromol. Rapid Commun., 2015, 36, 533)。此外,他们受到贻贝粘附蛋白的启发,利用苯硼酸和多巴胺的邻苯二酚官能团间的动态硼酸酯键制备了兼具室温形状记忆、自修复和高粘附性能的新型多功能水凝胶体系Polym. Chem., 2016, 7, 5343)

图1. 基于两种互不干扰可逆作用的双网络超分子形状记忆水凝胶的构建。


目前超分子形状记忆水凝胶材料的研究尚处于起步阶段,材料普遍存在力学性能较差,且只能记忆一个临时形状等不足。在以往研究的基础上,研究人员将可有效提升水凝胶力学性能的双网络结构设计理念引入形状记忆高分子材料,有效提升了超分子形状记忆水凝胶材料的力学性能(图1),并通过外界刺激序列调控体系内的动态硼酸酯键和金属配位作用,成功构筑了具有三重形状记忆功能的双网络超分子水凝胶Chem. Sci., 2016, 7, 6715)。他们还采用类似的双网络结构设计理念,将具有多重刺激响应性的动态席夫碱键和壳聚糖—金属离子配位作用引入水凝胶体系中,成功开发了一类具有多重刺激响应性的超分子形状记忆水凝胶材料Chem. Commun., 2016, 52, 13292)。最近,他们利用三种不同的刺激响应方式ACS Appl. Mater. Interfaces, 2017, 9, 9038)以及逐层扩散的方式Polymers, 2017, 9, 138),又实现了水凝胶多重的形状记忆效应

图2. 超分子形状记忆水凝胶材料的形状记忆机理


图3. 目前用于构筑超分子形状记忆水凝胶材料的可逆作用力


基于上述一系列研究成果及近几年在超分子形状记忆水凝胶材料领域的研究经验,作者近期在化学领域权威综述刊物Chemical Society Reviews 上发表综述文章,系统介绍了近年来超分子形状记忆水凝胶材料相关研究的最新进展,对具有二重和三重形状记忆功能的超分子水凝胶材料的通用设计思路和构建策略进行了细致的梳理和总结(图2和图3),并展望了这类材料的未来发展方向及在航空航天、生物医药等高科技领域的应用前景。


该论文作者为:Wei Lu, Xiaoxia Le, Jiawei Zhang, Youju Huang, Tao Chen

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Supramolecular shape memory hydrogels: a new bridge between stimuli-responsive polymers and supramolecular chemistry

Chem. Soc. Rev., 2017, 46, 1284, DOI: 10.1039/C6CS00754F


陈涛研究员简介


陈涛,博士,中科院宁波材料所研究员;2006年在浙江大学取得博士学位,先后在英国University of Warwick化学系、美国Duke University机械工程与材料科学系从事博士后研究,作为洪堡学者在德国TU-Dresden化学系从事科研工作;2012年7月起为中科院宁波材料所高分子事业部研究员、博士生导师,组建智能高分子材料课题组。


陈涛目前致力于智能高分子材料的构建及其在形状记忆、智能驱动及化学与生物传感器等方面的应用研究,在Chem. Soc. Rev.Prog. Polym. Sci.Adv. Mater.Adv. Funct. Mater.Chem. Sci.Chem. Mater.SmallChem. Commun.Adv. Mater. InterfaceJ. Mater. Chem.Polym. Chem.ACS Appl. Mater. InterfacesMacromol. Rapid Commun.LangmuirPolymer 等期刊上发表120余篇SCI学术论文,其中第一作者/通讯作者论文80余篇,SCI引用2100余次,H因子为25。


http://www.x-mol.com/university/faculty/23030


张佳玮研究员简介


张佳玮,博士,中科院宁波材料所研究员;2010年在南开大学取得博士学位,博士毕业后在清华大学化学系从事博士后研究工作;2013年加盟中科院宁波材料所。


张佳玮长期从事功能高分子材料、胶体与表面科学、超分子科学等多学科交叉领域的研究工作,目前研究兴趣为:(1)超分子形状记忆高分子;(2)新型智能高分子软驱动材料,近三年在Chem. Soc. Rev.Adv. Funct. Mater.Chem. Sci.Chem. Mater.Chem. Commun.J. Mater. Chem. AACS Appl. Mater. Inter.Polym. Chem. 等期刊发表通讯作者文章30余篇。


http://www.x-mol.com/university/faculty/23132


课题组网站:http://smartpolymers.nimte.ac.cn


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