张凯教授团队在自生长水凝胶方面取得重要进展

近期，北京理工大学张凯教授团队在自生长水凝胶方面取得重要进展，相关研究成果以“ Bioinspired Self-Growing Hydrogels by Harnessing the Interfacial Polymerization” 为题发表在国际顶级期刊《Advanced Materials》，并被选为当期封面论文。北京理工大学宇航学院张凯教授和南方科技大学机械与能源工程系刘吉教授为本论文共同通讯作者，宇航学院2019级博士研究生渐南南为论文第一作者。

自然界生物体能够通过自发生长适应不同的外部环境，与这类完全动态和开放的自生长系统相比，合成材料通常处于静态和封闭系统中。目前，仿生合成材料可以被赋予类天然材料的智能特性（如刺激响应、自修复等），广泛应用于传感器、软体机器人、生物医学工程和可穿戴电子设备等新兴领域。然而，设计和制造具备可自发生长特性的合成材料仍然具有一定的挑战性。

针对这一问题，受角质蛋白自生长行为的启发，团队提出了液态金属(EGaIn)和水性单体丙烯酰胺（AAm）溶液界面处的连续自由基聚合策略，赋予了人工合成聚丙烯酰胺（PAAm）水凝胶材料前所未有的自生长特性（图1 a-c）。进一步将自生长得到的水凝胶添加到单体溶液中，发现水凝胶表现出连续再生长的特征（图1 d-f）。


图1. 自生长水凝胶设计原理及实现方法

水凝胶的自生长行为成功模拟自然爬藤现象（图2 a-d），在软壁攀爬机器人中显示出巨大的前景，在小型弯曲管道方面具有明显的优势。此外，受自然植物“破土而出”启发，研究团队将自生长“动力”转化为“驱动力”，设计了自生长水凝胶致动器（图2 e-f），成功将一特定容器打开。与大部分水凝胶致动器需要光/热/电等外界能量触发不同，自生长水凝胶致动器不需要输入任何额外能量，且功率密度显著高于其他水凝胶致动器，体现出自发、高效、可控的致动功能。


图2. 自生长水凝胶模仿自然藤本植物攀爬行为、作为致动器

该研究得到了国家自然科学基金、广东省自然科学基金等经费支持。

论文详情：Nannan Jian, Rui Guo, Lei Zuo, Yibo Sun, Yu Xue, Ji Liu*, Kai Zhang*, Bioinspired Self-Growing Hydrogels by Harnessing Interfacial Polymerization. Advanced Materials, 2022: 2210609.

全文链接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.202210609