高分子科學(xué)系武培怡課題組最新研究發(fā)表在《自然通訊》上
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? ? ? ?隨著人們對(duì)自然界和生物體的不斷深入認(rèn)知，如何模仿并創(chuàng)造類似自然生物的仿生結(jié)構(gòu)和功能受到越來(lái)越多的關(guān)注。例如，人的皮膚具有良好的力學(xué)適應(yīng)性，自我修復(fù)能力，可以通過(guò)不同的感受器來(lái)感知外界環(huán)境的變化，是人與外界交互的重要傳感媒介之一。如何仿生皮膚的力學(xué)性能和感知功能迄今仍然是一個(gè)巨大的挑戰(zhàn)，也是物聯(lián)網(wǎng)構(gòu)筑和人工智能領(lǐng)域的有趣話題。在人工合成材料之中，具有三維水性網(wǎng)絡(luò)的水凝膠與天然皮膚的結(jié)構(gòu)和力學(xué)性質(zhì)有一定相似性，都具有低模量和高含水率的特點(diǎn)，但是普通水凝膠缺乏像人體皮膚那樣高度集成的感知功能、對(duì)動(dòng)態(tài)界面的力學(xué)適應(yīng)性和受損以后的自修復(fù)能力。近期，復(fù)旦大學(xué)武培怡教授課題組在這一領(lǐng)域提出一種新思路，利用一種超分子聚電解質(zhì)水凝膠來(lái)模仿天然皮膚，其中的動(dòng)態(tài)交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)賦予超分子水凝膠多種優(yōu)異的力學(xué)性質(zhì)，而動(dòng)態(tài)網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的自由離子傳輸則實(shí)現(xiàn)了信息傳遞和對(duì)外界刺激的感知。相關(guān)工作以A supramolecular biomimetic skin combining a wide spectrum ofmechanical properties and multiple sensory capabilities為題在《Nature Communications》上在線發(fā)表(Nat. Commun.2018,?9,1134)。
? ? ? ?武培怡教授研究課題組長(zhǎng)期致力于二維相關(guān)光譜表征分析高分子體系的物理和化學(xué)性質(zhì)，通過(guò)先進(jìn)譜學(xué)信息揭示分子間相互作用、微觀結(jié)構(gòu)、與材料宏觀性質(zhì)之間的關(guān)系，推動(dòng)高分子軟物質(zhì)材料的分子機(jī)理研究、合成設(shè)計(jì)、以及仿生智能器件應(yīng)用。從理解并調(diào)控高分子間動(dòng)態(tài)相互作用的角度出發(fā)，設(shè)計(jì)了多個(gè)高分子動(dòng)態(tài)交聯(lián)體系，以實(shí)現(xiàn)對(duì)皮膚力學(xué)性質(zhì)和感知功能的模仿。此前報(bào)道了利用礦物水凝膠（Adv. Mater. 2017, 29, 1700321,）和溫敏水凝膠（Mater.Horiz.2017,4,694-700,）用以仿生皮膚的力學(xué)性質(zhì)和感知功能，可以為動(dòng)態(tài)曲面提供更好的界面匹配和力學(xué)適應(yīng)性，實(shí)現(xiàn)了高靈敏感知，自主自修復(fù)效果，并且提出了基于材料相變行為的感知功能新設(shè)計(jì)。
? ? ? ?在此基礎(chǔ)上，武培怡教授組直博生雷周玥在Nature Communications上進(jìn)一步報(bào)道了一種基于超分子水凝膠的仿生智能皮膚。利用三種分子間非共價(jià)相互作用 （氫鍵、親疏水作用、離子相互作用），實(shí)現(xiàn)多重動(dòng)態(tài)交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)，僅需簡(jiǎn)單的無(wú)規(guī)共聚反應(yīng)，所形成的透明超分子水凝膠集合了一系列類似皮膚甚至超越皮膚的力學(xué)性質(zhì)，具有壓縮回彈性，可大幅拉伸，遭遇創(chuàng)傷快速自修復(fù)，并且在室溫下的任意塑形。
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?視頻：超分子水凝膠的回彈性、可拉伸以及塑形效果（4倍播放速度）?
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? ? ? ?當(dāng)基于這種超分子水凝膠的仿生皮膚貼在塑料假肢手指上時(shí)，它使得假肢手指能夠通過(guò)電容和電阻信號(hào)分別感知應(yīng)變和溫度刺激，模擬了人體皮膚的機(jī)械和溫度感受器。它可以根據(jù)變形過(guò)程中的電容變化記錄手指的彎曲伸直運(yùn)動(dòng)信息，并在人的手接觸假肢時(shí)，通過(guò)實(shí)時(shí)降低的電阻信號(hào)來(lái)反饋假肢表面溫度的升高。
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圖1：超分子水凝膠通過(guò)模擬皮膚中機(jī)械感受器和溫度感受器，也能簡(jiǎn)單區(qū)分不同的外界刺激，賦予塑料假肢對(duì)機(jī)械運(yùn)動(dòng)和溫度刺激的感知能力。（標(biāo)尺：2 cm）
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? ? ? ?這一研究展示了超分子水凝膠在仿生皮膚力學(xué)性能和傳感功能的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，為開發(fā)新型仿生智能皮膚提供了新途徑。結(jié)合高分子譜學(xué)表征對(duì)分子間相互作用的分析、理解和篩選，課題組也致力于進(jìn)一步優(yōu)化高分子軟物質(zhì)材料在仿生智能器件中的發(fā)展和應(yīng)用。該課題得到了國(guó)家自然科學(xué)基金重點(diǎn)項(xiàng)目 (51733003)和國(guó)家自然科學(xué)基金面上項(xiàng)目 (21674025, 51473038) 的資助與支持。文章第一作者為復(fù)旦大學(xué)高分子科學(xué)系直博生雷周玥。
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附：直博生雷周玥發(fā)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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