姚晰课题组在Advanced Science上发表多环境形状变形水凝胶研究进展

近日，河南大学纳米科学与材料工程学院姚晰教授课题组在软机器人智能水凝胶领域取得新进展，该成果以“In Situ Stimuli Transfer in Multi-Environment Shape-Morphing Hydrogels Based on the Copolymer Between Spiropyran and Acrylic Acid”为题，发表在顶级期刊《Advanced Science》上（Adv. Sci. 2025, 2416173, DOI: 10.1002/advs.202416173）。

论文链接：https://doi.org/10.1002/advs.202416173

智能水凝胶因其在传感器、微流体、药物输送和软体机器人等领域的广泛应用而成为研究的热点。然而，其刺激响应性能常常受到水交换过程中的慢速扩散限制。此外，水凝胶材料在无水或低水环境中的应用也受到严重制约。这些问题是当前构筑高性能智能水凝胶所面临的主要挑战。

图1.原位刺激转移机制使聚丙烯酸水凝胶实现高性能刺激响应和多环境形状变形功能。

本研究报道了一种原位刺激转移的光响应丙烯酸-螺吡喃共聚的均相水凝胶。该水凝胶结合了光刺激的快速反应和pH刺激的大幅度响应，能够在不同环境（水相、空气、油相等）中迅速且可逆地实现变形。这种快速的光响应主要归因于螺吡喃的可逆光响应质子化，使聚丙烯酸网络内的氢键相互作用实现原位调节（见图1）。当聚丙烯酸水凝胶的内部pH值调整至聚丙烯酸的pK_a附近时，会出现显著的体积收缩或膨胀行为，从而实现最大幅度的形状变换。当凝胶厚度为0.2 mm时，其响应时间为4分钟，恢复时间为15分钟，最大弯曲角度超过70°。在缺水环境（如空气和油相）中的光响应行为是通过水从水凝胶的一个部分转移到另一部分实现的，在此过程中水凝胶的净体积保持不变。通过控制光源，研究者可以方便地操控水凝胶的可逆运动性能，为基于pH响应水凝胶在多种环境中的应用提供了理论依据和技术支持。

河南大学纳米科学与材料工程学院为论文第一通讯单位，河南大学纳米科学与材料工程学院吴丽伟硕士研究生为第一作者，纳米科学与材料工程学院张玲玲副教授和姚晰教授为通讯作者。本工作得到了国家自然科学基金委、河南省科技厅、中国博士后科学基金会和河南大学的大力支持。