各向异性的引入是将刺激响应性聚合物水凝胶开发成智能设备的关键步骤。在这些各向异性材料中，具有定向结构的水凝胶引起了极大的关注。然而，大多数定向水凝胶是通过将纳米填料或微通道与外部场对齐来制造的。宁波大学与华南理工大学合作报告了一种简便的方法来制造具有定向聚合物链的温度和 pH 值双响应水凝胶。基于聚（丙烯酸）（PAAc）和聚（丙烯酰胺）（PAAm）的水凝胶互穿网络（IPN），可以形成温度和 pH 可切换的氢键（H 键）。两个聚合网络依次合成，这允许在初级 PAAm 网络上施加拉伸力，并通过次级 PAAc 网络的光聚合“记住”取向。由于排列的聚合物链和定向的 H 键，所获得的凝胶（即 PINSIA）表现出响应温度和 pH 值的各向异性体积相变。由于光聚合产生的双层结构，这两层，即PINSIA凝胶的底层和顶层的内应力方向是垂直的，当剪成窄条时驱动凝胶形成螺旋。此外，螺旋结构可以通过改变凝胶条的切割角度和宽度来编程，并通过切换 pH 和温度进行调节。

流程1： (a) PINSIA Gel 的合成路线；(b) PAAm 凝胶、拉伸 PAAm 凝胶、PINSIA 凝胶底部和顶层的微结构示意图。

图1. (a) PINSIA凝胶样品制备过程照片；(b) PAAm 凝胶、PINSIA-3 凝胶底部和顶部表面的 SEM 图像；(c) IPN、PINSIA-2 和 PINSIA-3 水凝胶的 2D-SAXS 模式。

图 3. PINSIA 水凝胶的各向异性溶胀特性：(a) 方形凝胶样品切割方向示意图；(b) PINSIA-3凝胶在不同温度和pH值下的各向异性形状变化；(c) 和 (d) PINSIA 凝胶各向异性溶胀的动力学；(e) PINSIA 凝胶各向异性溶胀的可逆性通过冷却/加热和 (f) 增加/降低 pH 值循环。

图 4. PINSIA-3 凝胶的温度和 pH 诱导的各向异性二维变形。

图 5. PINSIA-3 水凝胶的螺旋变形：(a) 切割角 (α) 示意图；(b) 圆柱螺旋和 (c) 扭曲螺旋示意图；(d)以不同角度切割的凝胶条 (w = 2.0 mm) 的配置；（比例尺：5 毫米）（e）和（f）无量纲半径和无量纲节距与切割角的关系图，其中负值和正值分别表示右手和左手螺旋。

图 7. PINSIA-3 凝胶的温度和 pH 诱导的螺旋变形：(a) 将螺旋扭曲成凝胶条的圆柱形螺旋，α = 45°，w = 2.0 mm；(b) 将圆柱螺旋打开为 α = 22.5° 和w = 2.0 毫米的封闭圆柱螺旋。PINSIA-3 凝胶的 pH 诱导螺旋变形：(c) 将螺旋扭曲成凝胶条的圆柱形螺旋，α = 45°，w = 2.0 mm；(d) α = 22.5° 和w = 2.0 mm 的开放圆柱螺旋变为封闭圆柱螺旋；(e) 和 (f) V 形和 X 形多螺旋及其变形，每个螺旋的α = 45° 或 135° 和w = 2.0 mm。

相关论文以题为Biomimetic Self-Deformation of Polymer Interpenetrating Network with Stretch-Induced Anisotropicity发表在《Chemistry of Materials》上。通讯作者是宁波大学赵传壮副教授与华南理工大学Kaojin Wang。

参考文献：

doi.org/10.1021/acs.chemmater.1c02639