浙大王立教授和俞豪杰副教授团队 AFM：受贻贝粘附蛋白启发的聚合物液晶弹性体及其光/热响应软体驱动器

2023-01-16 来源：高分子科技

软体驱动器因其在软体机器人、微型发动机、人造肌肉和生物医疗等领域的广阔应用前景而备受关注。液晶弹性体（LCEs）是制造软体驱动器的理想材料之一。然而，传统基于稳定共价交联的LCEs通常面临形状结构设计灵活度低以及驱动形变单一等问题。近年来研究发现，在LCEs网络中引入动态可交换键为制造具有复杂驱动形变、可定制形状以及可编程的动态软体驱动器带来了新策略。用这种方式制备的动态LCEs网络通常还具有自愈性、可回收性和可焊接性等优点，更加适应实际应用的需求。此外，传统热响应驱动器的直接加热驱动方式具有较大的局限性，需要特定的驱动场景或环境。通过在传统LCEs内引入额外的有机或无机光热添加剂，使其能够通过光热转换效应实现光响应驱动，进而提高其操作的可控性和灵活性，可显著提升LCEs的应用范围。然而，光热添加剂的团聚、渗出以及毒副作用等问题是光驱动动态LCEs驱动器所面对的重要挑战。

近日，浙江大学王立教授和俞豪杰副教授团队受到海洋生物贻贝粘附蛋白化学的启发，合成了一种由儿茶酚基团封端且含液晶单元的线性低聚物（RM257-Dopa），再通过儿茶酚基团与铁离子的配位作用直接制备了动态交联的LCEs（图1）。该LCEs制备方法简单，化学组成均一，不含光热添加剂就具有NIR光响应性，且机械性能优异。

图1. LCEs的制备及结构表征

基于聚合物网络中儿茶酚基团-铁离子配合物在近红外区的光吸收，所得LCEs表现出了强的光热响应性。在0.8 W/cm²功率密度的NIR光（808 nm）下，仅需5s，LCEs表面温度即可从14.5 ^oC升至超过100 ^oC。循环实验表明，该LCEs对NIR光照具有很好的响应稳定性。此外，基于儿茶酚基团-铁离子配位键的键交换，所得聚合物网络表现出自修复、再加工以及形状可编程性。利用动态热机械分析对该配位键交换行为进行了表征，并用原位拉曼光谱对其温敏性进行了分析（图2）。结果表明，升温可以弱化配位键的形成并促进键交换，当温度接近140 ^oC时通过拉曼光谱可明显观察到聚合物网络中配位键的解离。

图2. LCEs的光热转换性能以及网络动态特性

儿茶酚基团-铁离子配位作用为制备具有复杂几何结构（从1D到3D）以及复杂形变方式的光/热响应驱动器提供了契机，且加工方式灵活。例如，经过简单的直接加热或选择性光照处理，片状LCEs即可在十分微小的尺度上被制造为具有特定结构的软体机器人（图3）。利用液晶相转变驱动的宏观形变，制备所得软体机器人可在NIR光的引导下完成前进、后退、爬坡甚至负重前进等一系列运动。此外，借助NIR光诱导的Marangoni效应，所得软体机器人还能够实现在水面上的光引导前行，操控灵活方便（图4）。

图3. 基于液晶相转变驱动的陆地爬行机器人概念及应用

图4. 基于Marangoni效应驱动的水面移动机器人概念及应用

以上成果于近期发表在Advanced Functional Materials上，论文题目为Light-guided dynamic liquid crystalline elastomer actuators enabled by mussel adhesive protein chemistry，第一作者为浙江大学化学工程与生物工程学院博士后梁瑞雪博士，通讯作者为浙江大学化学工程与生物工程学院俞豪杰副教授。

论文链接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/adfm.202211914

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（责任编辑：xu）

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