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  形狀記憶水凝膠（SMH）是一類含有大量水的特殊形狀記憶聚合物。通常SMH采用化學交聯作為剛性骨架（固定相），采用可逆物理交聯作為轉換相。當SMH受到特定刺激時，其可逆交聯斷裂，即可通過外力編輯為臨時形狀；當刺激改變時，可逆交聯重新形成，臨時形狀得以固定。當再次受到特定刺激時，剛性骨架網絡的彈性作用使得水凝膠恢復其原始形狀。通常，熱響應的SMH因其不需要時間進行分子滲透和化學反應而具有較快的形狀固定和恢復速度。盡管已有很多關于SMH的報道，但大多數的熱響應SMH的拉伸強度和彈性模量均較低，尤其是模量大多小于1 MPa，這使其實際應用受到很大限制。高機械強度、高模量和優異形狀記憶性能水凝膠的開發具有重要的理論意義和潛在應用價值。

  北京師范大學汪輝亮教授課題組報道了一種新型具有高拉伸強度和高彈性模量的熱響應形狀記憶水凝膠。它們首先通過將親水性單體N -乙烯基吡咯烷酮（NVP）和疏水性單體對丙烯酰氧基苯乙酮（AAP）在N, N'' -二甲基甲酰胺（DMF）溶液中共聚制備出有機凝膠，然后將該有機凝膠在去離子水中充分浸泡，通過溶劑交換得到水凝膠。由于苯乙酮基團之間具有強而可逆的疏水締合和π-π堆積相互作用，該水凝膠表現出優異的力學性能，其拉伸強度可達8.41 ± 0.83 MPa，其楊氏模量高達94.2 ± 1.3 MPa，比相應的有機凝膠分別高1和3個數量級。同時該水凝膠表現出良好的熱響應形狀記憶行為，在70°C的去離子水中軟化后轉移至室溫環境，只需數秒內即可固定臨時形狀，形狀固定率達到100％。根據水凝膠組分的不同其展現出74％-89％的形狀恢復率。這些剛而強的形狀記憶水凝膠可以作為一種理想外科固定裝置，用于包裹和支撐各種形狀的肢體結構。

  該研究工作發表在ACS Applied Materials & Interfaces。焦晨為論文第一作者，汪輝亮教授為論文通訊作者。

圖1 有機凝膠和水凝膠的制備方法、形成機理和形貌。

（a）單體AAP的合成和單體NVP與AAP的共聚；

（b）有機凝膠和水凝膠的制備方法和形成機理；

（c-e）照片展示（c）有機凝膠（從左到右：nNVP:nAAP = 1:1, 2:1, 3:1, 4:1, 5:1）（d）水凝膠和（e）將水凝膠重新浸入DMF中獲得的有機凝膠的外觀。

圖2 有機凝膠和水凝膠的拉伸應力-應變曲線及形狀記憶性質。

（a）有機凝膠的拉伸應力-應變曲線圖；

（b）水凝膠的拉伸應力-應變曲線圖；

（c）有機凝膠和水凝膠的拉伸強度；

（d）有機凝膠和水凝膠的楊氏模量；

（e）水凝膠的從臨時形狀恢復成永久形狀的過程；

（f）水凝膠的溫度依賴性。

圖3水凝膠作為支撐材料的應用。

（a）水凝膠作為指關節的固定支撐材料；

（b）水凝膠作為手腕的固定支撐材料；

（c）水凝膠作為腿和腳的固定支撐材料。

論文信息與鏈接

  Rigid and Strong Thermoresponsive Shape Memory Hydrogels Transformed from Poly(vinylpyrrolidone-co-acryloxy acetophenone) Organogels

  Chen Jiao, Yuanyuan Chen, Tianqi Liu, Xin Peng, Yaxin Zhao, Jianan Zhang, Yuqing Wu and Huiliang Wang*

  ACS Appl. Mater. Interfaces, Article ASAP, DOI: 10.1021/acsami.8b11391

  https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsami.8b11391