Polyelectrolyte‐Mediated Modulation of Spatial Internal Stresses of Hydrogels for Complex 3D Actuators

聚电解质 自愈水凝胶 执行机构 收缩率 材料科学 聚合 平面的 制作 纳米技术 复合材料 高分子化学 计算机科学 聚合物 人工智能 医学 计算机图形学(图像) 替代医学 病理
作者
Jinghua Duan,Wenxin Fan,Zihan Xu,Lu Cui,Ziyou Wang,Zhihong Nie,Kunyan Sui
出处
期刊:Angewandte Chemie [Wiley]
被引量:1
标识
DOI:10.1002/anie.202410383
摘要

Hydrogel actuators with complex 3D initial shapes show numerous important applications, but it remains challenging to fabricate such actuators. This article describes a polyelectrolyte‐based strategy for modulating small‐scale internal stresses within hydrogels to construct complex actuators with tailored 3D initial shapes. Introducing polyelectrolytes into precursor solutions significantly enhances the volume shrinkage of hydrogel networks during polymerization, allowing us to modulate internal stresses. Photopolymerization of these polyelectrolyte‐containing solutions through a mask produces mechanically strong hydrogel sheets with large patterned internal stresses. Consequently, these hydrogel sheets attain complex 3D initial shapes at equilibrium, in contrast to the planar initial configuration of 2D actuators. We demonstrate that these 3D actuators can reversibly transform into other 3D shapes (i.e., 3D‐to‐3D shape transformations) in response to external stimuli. Additionally, we develop a predictive model based on the Flory‐Rehner theory to analyze the polyelectrolyte‐mediated shrinking behaviors of hydrogel networks during polymerization, allowing precise modulation of shrinkage and internal stress. This polyelectrolyte‐boosted shrinking mechanism paves a route to the fabrication of high‐performance 3D hydrogel actuators.
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