科研动态

高分子科学系武培怡课题组最新研究发表在《自然通讯》上

发布时间:2018-03-20 

随着人们对自然界和生物体的不断深入认知,如何模仿并创造类似自然生物的仿生结构和功能受到越来越多的关注。例如,人的皮肤具有良好的力学适应性,自我修复能力,可以通过不同的感受器来感知外界环境的变化,是人与外界交互的重要传感媒介之一。如何仿生皮肤的力学性能和感知功能迄今仍然是一个巨大的挑战,也是物联网构筑和人工智能领域的有趣话题。在人工合成材料之中,具有三维水性网络的水凝胶与天然皮肤的结构和力学性质有一定相似性,都具有低模量和高含水率的特点,但是普通水凝胶缺乏像人体皮肤那样高度集成的感知功能、对动态界面的力学适应性和受损以后的自修复能力。近期,复旦大学武培怡教授课题组在这一领域提出一种新思路,利用一种超分子聚电解质水凝胶来模仿天然皮肤,其中的动态交联网络赋予超分子水凝胶多种优异的力学性质,而动态网络内的自由离子传输则实现了信息传递和对外界刺激的感知。相关工作以A supramolecular biomimetic skin combining a wide spectrum ofmechanical properties and multiple sensory capabilities为题在《Nature Communications》上在线发表(Nat. Commun.2018, 9,1134)。

武培怡教授研究课题组长期致力于二维相关光谱表征分析高分子体系的物理和化学性质,通过先进谱学信息揭示分子间相互作用、微观结构、与材料宏观性质之间的关系,推动高分子软物质材料的分子机理研究、合成设计、以及仿生智能器件应用。从理解并调控高分子间动态相互作用的角度出发,设计了多个高分子动态交联体系,以实现对皮肤力学性质和感知功能的模仿。此前报道了利用矿物水凝胶(Adv. Mater. 2017, 29, 1700321,)和温敏水凝胶(Mater.Horiz.2017,4,694-700,)用以仿生皮肤的力学性质和感知功能,可以为动态曲面提供更好的界面匹配和力学适应性,实现了高灵敏感知,自主自修复效果,并且提出了基于材料相变行为的感知功能新设计。

在此基础上,武培怡教授组直博生雷周玥在Nature Communications上进一步报道了一种基于超分子水凝胶的仿生智能皮肤。利用三种分子间非共价相互作用 (氢键、亲疏水作用、离子相互作用),实现多重动态交联网络,仅需简单的无规共聚反应,所形成的透明超分子水凝胶集合了一系列类似皮肤甚至超越皮肤的力学性质,具有压缩回弹性,可大幅拉伸,遭遇创伤快速自修复,并且在室温下的任意塑形

视频:超分子水凝胶的回弹性、可拉伸以及塑形效果(4倍播放速度)

当基于这种超分子水凝胶的仿生皮肤贴在塑料假肢手指上时,它使得假肢手指能够通过电容和电阻信号分别感知应变和温度刺激,模拟了人体皮肤的机械和温度感受器。它可以根据变形过程中的电容变化记录手指的弯曲伸直运动信息,并在人的手接触假肢时,通过实时降低的电阻信号来反馈假肢表面温度的升高。

1:超分子水凝胶通过模拟皮肤中机械感受器和温度感受器,也能简单区分不同的外界刺激,赋予塑料假肢对机械运动和温度刺激的感知能力。(标尺:2 cm

这一研究展示了超分子水凝胶在仿生皮肤力学性能和传感功能的独特优势,为开发新型仿生智能皮肤提供了新途径。结合高分子谱学表征对分子间相互作用的分析、理解和筛选,课题组也致力于进一步优化高分子软物质材料在仿生智能器件中的发展和应用。该课题得到了国家自然科学基金重点项目 (51733003)和国家自然科学基金面上项目 (21674025, 51473038) 的资助与支持。文章第一作者为复旦大学高分子科学系直博生雷周玥。

 

附:直博生雷周玥发表的系列文章:

1. Zhouyue Lei, and Peiyi Wu*, Nat. Commun.2018, 9,1134.

2. Zhouyue Lei, Quankang Wang, and Peiyi Wu*, Mater. Horiz. 2017, 4, 694-700.

3. Zhouyue Lei, Quankang Wang, Shengtong Sun,Wencheng Zhu, and Peiyi Wu*, Adv. Mater. 2017, 29, 1700321.

4. Zhouyue Lei, Shengtong Sun*, and Peiyi Wu*,ACS Sustainable Chem. Eng. 2017, 5, 4499–4504.

5. Zhouyue Lei, Shengtong Sun*, and Peiyi Wu*,Nanoscale 2016, 8, 18800-18807.

6. Zhouyue Lei, Yuanyuan Zhou, and Peiyi Wu*,Small 2016, 12, 3112–3118.

7. Zhouyue Lei, Wencheng Zhu, Shengjie Xu,Jian Ding, Jiaxun Wan, and Peiyi Wu*, ACS Appl. Mater. Interfaces 2016, 8,20900–20908.

8.ZhouyueLei, Shengjie Xu, and Peiyi Wu*, Phys. Chem. Chem. Phys. 2016, 18, 70-74.

9. Zhouyue Lei, Shengjie Xu, Jiaxun Wan, andPeiyi Wu*, Nanoscale 2016, 8, 2219-2226.

10. Zhouyue Lei,Shengjie Xu, Jiaxun Wan, and Peiyi Wu*, Nanoscale 2015, 7, 18902-18907.

11. Shengjie Xu,Zhouyue Lei, and Peiyi Wu*, J. Mater. Chem. A 2015, 3, 16337-16347.

 

 

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