Patterned Electrode Assisted One‐Step Fabrication of Biomimetic Morphing Hydrogels with Sophisticated Anisotropic Structures

自愈水凝胶 变形 材料科学 纳米技术 制作 电极 计算机科学 化学 高分子化学 计算机图形学(图像) 医学 病理 物理化学 替代医学
作者
Qing Zhu,Chen Fei Dai,Daniel Wagner,Olena Khoruzhenko,Wei Hong,Josef Breu,Qiang Zheng,Zi Liang Wu
出处
期刊:Advanced Science [Wiley]
卷期号:8 (24) 被引量:53
标识
DOI:10.1002/advs.202102353
摘要

Abstract Anisotropic structures are ubiquitous in nature, affording fascinating morphing behaviors. Biomimetic morphing materials can be developed by spatially controlling the orientations of molecules or nanofillers that produce anisotropic responses and internal stresses under external stimuli. However, it remains a serious challenge to fabricate materials with sophisticated anisotropic architectures. Here, a facile strategy to fabricate morphing hydrogels with elaborately ordered structures of nanosheets, which are oriented under distributed electric field and immobilized by polymerization to form a poly( N ‐isopropylacrylamide) matrix, is proposed. Diverse sophisticated anisotropic structures are obtained by engineering the electric field through the patterns and relative locations of the electrodes. Upon heating, the monolithic hydrogels with through‐thickness and/or in‐plane gradients in orientation of the nanosheets deform into various three‐dimensional configurations. After incorporating gold nanoparticles, the hydrogels become photoresponsive and capable of programmable motions, for example, dynamic twisting and flipping under spatiotemporal stimuli. Such a strategy of using patterned electrodes to generate distributed electric field should be applicable to systems of liquid crystals or charged particles/molecules to direct orientation or electrophoresis and form functional structures. The biomimetically architectured hydrogels would be ideal materials to develop artificial muscles, soft actuators/robots, and biomedical devices with versatile applications.
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