环境响应型水凝胶,又称“刺激响应”或“智能”水凝胶,因其高的含水量、弹性、渗透性、外界刺激响应性和大的变形等优点,被广泛应用于生物医学、软体机器人等领域。目前,大多数智能水凝胶的响应变形均凭借凝胶体内和体外渗透压的变化。然而,在这种渗透驱动机制下,凝胶材料的驱动力和响应速度间相互矛盾,如图1所示。要解决这一矛盾,需要从分子尺度设计并提出一种异于传统“渗透型”水凝胶的非常规驱动机制。
图1.传统渗透型水凝胶的力和速度之间的矛盾
近日,中国科学院兰州化学物理研究所研究员周峰团队与美国加州大学洛杉矶分校教授贺曦敏团队合作,通过仿生青蛙跳跃过程中肌肉的加速机制,提出一种非常规驱动模式(弹性驱动),解决了传统渗透型水凝胶驱动机制力和速度之间的矛盾,制备出一种强收缩高能量密度的水凝胶材料,如图2所示。与渗透驱动型水凝胶相比,弹性驱动型水凝胶具有侧链触发主链,主链自主收缩、弹性回弹,形变与网络中水分子的传输无关等优点,其收缩强度和能量密度分别高于渗透型水凝胶10倍和1000倍。
图2.仿生青蛙跳跃过程中的能量储存机制设计强收缩高能量密度凝胶材料
图3.基于羧酸和铁的配位和解配位的能量储存和释放方案
该研究解决了传统渗透型水凝胶长期存在的“速度和驱动力”之间的矛盾,克服了传统渗透型水凝胶材料的能量密度极限,甚至与生物肌肉(15 KJ/m3 Vs. 8 KJ/m3)相当;新驱动机制将化学能直接转换为机械能,减少了中间步骤热量产生和耗散,因而具有高的能量转化效率(49%);保持高响应速度的同时能够产生大的收缩力;可重复多次编辑,编辑方式多样,实现了可控的多稳态变形(各向异性或各向同性的变形)。
图4.强收缩力和高能量密度
该研究为设计和制备强收缩、高能量密度、多形变模式的水凝胶材料提供了新策略。研究工作以Bioinspired high-power-density strong contractile hydrogel by programmable elastic recoil为题,发表在Science Advances上。兰州化物所为论文的第一单位,博士马延飞、华牧天为论文的共同第一作者,贺曦敏、周峰为论文的共同通讯作者。此前,周峰团队发明了利用铁离子-羧酸根的强配位作用构筑超高机械强度和韧性的水凝胶体系(Advanced Materials);通过拉伸状态下固定分子构象制备出各向异性结构的水凝胶,将水凝胶的拉伸强度提升到40MPa(Small),为该课题奠定了基础。研究工作得到国家自然科学基金、中科院国际合作项目、国家重点研发计划,美国国家科学基金会等的支持。
西安交通大学秦立果团队采用一种可控离子迁移的控制电场方法实现了生物界面的快速粘附与分离,为开发具有电控功能的高性能粘合水凝胶提供了思路,可用于医疗手术和生物医学工程中。近日该研究成果发表在《化学工程》......
耐药型细菌感染的创伤愈合因其治疗过程复杂、治疗周期漫长和持续性感染,已经成为日益严峻的公共卫生问题。耐甲氧西林金黄色葡萄球菌(MRSA)是引起创面感染的常见菌种,MRSA感染范围可以从皮肤和软组织的轻......
近日,华东理工大学教授郭旭虹团队提出了一种通过反应扩散控制动态超分子自组装的新策略,该工作发表于《德国应用化学》。生命系统是一个复杂的非平衡态超分子组装系统,受此启发,人们在合成系统中将化学反应网络与......
近日,华东理工大学教授郭旭虹团队提出了一种通过反应扩散控制动态超分子自组装的新策略,该工作发表于《德国应用化学》。生命系统是一个复杂的非平衡态超分子组装系统,受此启发,人们在合成系统中将化学反应网络与......
近日,美国化学文摘社(CAS)与西湖大学(WestlakeUniversity)合作发布了“最值得关注的十大生物材料”洞察报告。这份报告重点介绍了水凝胶、抗菌药物、脂质纳米粒、外泌体,生物墨水,可编程......
近日,华南理工大学教授王小英团队、暨南大学附属第一医院副教授张还添及教授查振刚团队通过利用自组装和化学交联结合的策略,开发出一种具有低硬度、高抗压强度、抗溶胀、可载药和生物降解的胶原纤维状可注射水凝胶......
细胞外基质(ECM)刚性是影响多种生物过程的重要机械线索。然而,对刚性传感的分子机制的理解受到当前细胞力测量技术的空间分辨率和力灵敏度的限制。2023年10月5日,武汉大学刘郑团队在NatureMet......
25日报道,美国研究人员发现,一种在适当条件下自组装成凝胶的新注射溶液可以帮助控制艾滋病病毒,这种凝胶在6周内释放出稳定剂量的抗艾滋病病毒药物拉米夫定,这与目前任何可用的疗法均不同。这一研究成果或使患......
水凝胶材料在生物医学领域展现了广阔的应用前景,成为当前最受关注的生物材料。然而水凝胶材料天生质弱,强度低、韧性差,成为限制其应用的瓶颈难题。尽管当前已有多种提升水凝胶力学性能的方法,例如双网络策略以及......
自愈导电水凝胶的开发对于电活性神经组织工程至关重要。典型的导电材料如聚吡咯(PPy)通常用于制造人工神经导管。此外,组织工程领域已经朝着透明质酸(HA)水凝胶等产品的使用方向发展。尽管HA修饰的PPy......