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西安交通大学在磁性水凝胶方面取得系列进展

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发表于 2019-2-23 11:20:00 | 显示全部楼层 |阅读模式
西安交通大学王铁军教授课题组与北京大学方岱宁院士合作,提出了一种溶液浸泡的策略来制备韧性极好的磁性纳米复合水凝胶(J.Mater.Chem.B,2018,6,2713)。通过这种方法,可以同时解决磁性水凝胶的两个普遍问题:较差的力学性质和较差的粒子分布。该磁性纳米复合水凝胶的断裂韧性高达11000J/m2,是目前韧性最好的磁性水凝胶之一。
磁性水凝胶由磁性粒子与水凝胶基体复合而成,近年来关于磁性水凝胶的发展十分迅速,其在药物释放、光子晶体、驱动器和人造肌肉等方面展现出良好的应用前景。然而现有的磁性水凝胶力学性质极差,大大限制了其实际应用。
西安交通大学在磁性水凝胶方面取得系列进展
图1磁性纳米复合水凝胶的制备与材料表征
图2磁性纳米复合水凝胶的高断裂韧性
磁性水凝胶力学性质的提高,将大大拓展其应用。作者们展示了一种新的应用:磁性水凝胶在非接触式激励下的形状控制。在高频动态磁场作用下,由磁性水凝胶和高弹体组成的双层梁,可以从二维结构自动变化为三维结构,类似于一朵荷花逐渐合拢。双层梁的形状改变是由动态磁场中磁性水凝胶的磁热效应导致的。不同于以往的光控制方法,用磁场来控制凝胶多材料系统的形状变化是一项新的技术,未来可能用于调控更为复杂的软结构。
图3利用磁热效应触发磁性水凝胶的形状变化
为了实现磁性水凝胶在体液中的稳定性,王铁军教授课题组进一步与西安交通大学胡建教授合作,制备了磁性双网络水凝胶(J.Mater.Chem.B,2019,DOI:10.1039/c8tb03301c)。双网络水凝胶是近年来最为流行的韧性水凝胶之一,由两层化学交联的聚合物网络组成,第一层网络短而硬,第二层网络长而软,最早由北海道大学的龚剑萍教授发明。传统的双网络水凝胶性质稳定,但是几乎不对外界刺激敏感。该文章中展示的磁性双网络水凝胶具有优异的力学性能,良好的稳定性以及可调的磁热行为。
图4磁性双网络水凝胶的制备及其在PBS缓冲液中的稳定性
磁性水凝胶的磁热效应的机制是磁性粒子的Neel耗散,即磁性粒子的磁矩在外界磁场下排列取向和去取向。通过调控氢氧化钠的浓度,铁离子的浓度以及磁场强度,可以改变磁性双网络凝胶的磁热行为。利用磁热效应,作者展示了磁性双网络凝胶的两个应用:生物组织加热和药物释放。
图5磁性双网络水凝胶的可控磁热行为
图6利用磁性双网络水凝胶实现生物组织加热
图7利用磁性双网络水凝胶实现药物释放
这两项研究工作均发表在JournalofMaterialsChemistryB上,一篇为背部封面文章(backcover)。西安交通大学航天航空学院青年教师唐敬达博士是两篇论文的第一作者,王铁军教授为通讯作者。两篇论文各有一位共同通讯作者,分别是北京大学裴永茂教授和西安交通大学胡建教授。
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