具有可控、可逆弯曲形变的刺激响应性凝胶材料在软机械、人工肌肉和微流体等很多领域具有广泛的应用。双层不同响应性凝胶以及具有浓度或交联度梯度分布的单一响应性凝胶能实现简单的弯曲/回复形变，而选择性、区域化地改变凝胶的刺激响应性能可以赋予其更为丰富的形变。但是，这些凝胶的制备通常较为复杂，可以实现的形变有限，而且不具有优良的力学性能。
北京师范大学化学学院汪辉亮教授课题组报道了一种极为简便的制备具有高机械强度和复杂形变凝胶的方法。采用其课题组开发的基于协同氢键作用制备高强度凝胶的方法(Macromolecules 2013, 46, 7423)，他们将含聚乙烯基吡咯烷酮(PVP)、丙烯酰胺(AAm)和少量的丙烯酸钠(NaAAc)的水溶液置于由玻璃板和聚四氟乙烯板构成的模具中进行聚合和凝胶化(图1)。
图1 具有弯曲响应凝胶的聚合过程示意图。
所得凝胶片的两面具有不同的组成，表现出不同的亲疏水性和刺激响应性，因而凝胶表现出在水中弯曲、在乙醇中回复(图2)。另外由于响应凝胶制备过程简单，可以容易地通过改变凝胶的组分含量去调控凝胶的形变速度和程度(图3)。
图2 响应凝胶在水/乙醇中的形变。
图3 组分含量不同的凝胶在水中浸泡30 s的形变结果。
该刺激响应形变凝胶具有优异的力学性能，因此可用于制备螺旋桨和机械手等软机械。
受织物印染技术的启发，他们开发了离子浸染(Ion Dip-Dyeing, IDD)和离子转移印花(Ion Transfer Printing, ITP)技术进一步对凝胶的形变进行调控。IDD为将凝胶样品浸泡在离子水溶液中；ITP为将用离子溶液润湿的滤纸覆盖在凝胶表面，在凝胶表面形成与滤纸模板一样的图案。由于金属阳离子可以和聚丙烯酸钠的羧酸根阴离子形成更加致密的交联网络，因此可通过IDD或ITP技术向凝胶体系引入金属离子来调控凝胶的形变程度(图4)。
图4凝胶经过IDD或ITP处理后在水中浸泡30 s形变的结果。
更为重要的是，采用ITP技术可以很方便地改变各种形状凝胶的局部交联度和形变行为。通过在凝胶条、凝胶片或圆柱状凝胶样品表面的选择性离子转移印花，凝胶在溶胀后发生从一维到二维、二维到三维或三维到复杂三维的极为丰富的形变(图5)。
图5 离子转移印花后的凝胶发生从一维到二维(a)、二维到三维(b-d)或三维到复杂三维(e, f)的形变。
Tough Hydrogels with Programmable and Complex Shape Deformations by Ion Dip-Dyeing and Transfer Printing
Adv. Funct. Mater.
May 23, 2016
DOI: 10.1002/adfm.201601389
Stimuli-responsive hydrogels with high mechanical strength, programmable deformation and simple preparation are essential for their practical applications. Here we report the preparation of tough hydrogels with programmable and complex shape deformations. Janus hydrogels with different compositions and hydrophilic natures on the two surfaces are firstly prepared, and they exhibit reversible bending/unbending upon swelling/deswelling processes. More impressively, the deformation rate and extent of the hydrogels can further be easily controlled through an extremely simple and versatile ion dip-dyeing (IDD) and/or ion transfer printing (ITP) method. By selectively printing proper patterns on 1D gel strips, 2D gel sheets and 3D gel structures, the transformations from 1D to 2D, 2D to 3D, and 3D to more complicated 3D shapes can be achieved after swelling the ion-patterned hydrogels in water. The swelling-deformable Janus and ion-patterned hydrogels with high mechanical strengths and programmable deformations can find many practical applications, such as soft machines.
————来源：高分子科学前沿
