方案摘要
方案下载应用领域 | 医疗/卫生 |
检测样本 | 其他 |
检测项目 | 机械性能>拉伸性能, 剥离强度 |
参考标准 | JG/T156-2012 |
刺激响应形变聚合物在软机器人、医疗设备、航空航天结构和柔性电子等新兴应用领域展现出其前景。它们的外部触发变形行为为许多设备应用提供了必需的按需可控性。但具有讽刺意味的是,在植入式医疗设备等要求苛刻的应用中,实现外部触发(例如加热或光)在实际应用中已经成为最大的挑战。某些形变聚合物依赖自然存在的刺激(例如植入式设备中的人体温度)作为触发器。虽然它们不需要外部刺激,但也失去了主动控制恢复行为的能力。自然触发但可主动控制的形变行为具有很大吸引力,然而这两个属性之间存在相互冲突。
在这里,浙江大学谢涛教授和赵骞教授通过一种四维可打印形状记忆水凝胶实现了这一目标。这种水凝胶通过相分离发挥作用,其形状变换动力学由内部质量扩散主导,而不是由普通形状记忆聚合物的热传输主导。这种水凝胶可在自然环境温度下进行形状转换,关键是有一个恢复开始延迟。在器件编程过程中,可通过改变相分离的程度对这一延迟进行编程,这为形状变换控制提供了一种特别的机制。这种自然触发形状记忆聚合物具有可调的恢复起始时间,大大降低了设备的实施门槛。相关成果以“Shape memory polymer with programmable recovery onset"为题发表在《Nature》上,第一作者为倪楚君博士与陈狄博士。
为了量化编程、相分离和复原之间的相关性,作者使用磁共振成像(MRI)来监测水的演变。图 3a 显示,原始样品在非相分离状态下的结合水含量较高。编程后,结合水减少,减少程度随编程时间增加而增加。在任何给定的编程时间内,结合水都会随着 25 °C 下的相混合而增加,最终恢复到原始状态。通过核磁共振成像图,可以获得形状恢复过程中结合水的实时变化(图 3b),不同编程时间对应的吨位值以虚线标出。相应地,同一颜色的虚线和实线之间的截距代表形状恢复开始时的临界结合水含量。图 3c 显示,无论编程时间长短,当结合水达到相同的临界值(约 70%)时,形状开始恢复。根据上述基于扩散的机制,可以在扩散和恢复开始之间建立联系,从而对行为进行预测。
图 4d说明了生物探针潜在应用的另一个好处。在这种情况下,探针需要有足够的硬度以刺穿坚硬的屏障(例如表面组织),但又要足够柔软以匹配目标组织的低模量。将柔软的明胶核心嵌入坚硬得多的硅橡胶中就能模拟这种情况。在没有编程的情况下,水凝胶装置太软,无法穿透硅胶。在90° C 下编程后,该装置在 25 ° C 下足够长的时间内变得坚硬,有利于成功穿透,同时在特定时间内全部进入软明胶。
北科大&香港大学&北京工业大学重磅Science!
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