在这个国庆佳节，我们共同感受祖国的繁荣昌盛，同时也迎来了知识的探索之旅。今天来了解聚合物架构的重构的研究——《Hydrogel‐Reactive‐Microenvironment Powering Reconfiguration of Polymer Architectures》发表于《Advanced Science》。材料科学不断发展，寻求新的拓扑和功能至关重要。现有的重构策略面临诸多挑战，而此研究提出利用水凝胶反应性微环境的新方法，为材料科学注入新活力，这也是科研领域不断进步的体现，如同祖国的发展一样蒸蒸日上。
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一、引言
（一）研究背景
结构化材料因其独特的性能，如负泊松比、负折射率等，受到广泛关注。材料的重构对于实现新的拓扑结构和功能至关重要。目前已报道的重构策略包括基于热、机械不稳定、溶胀、折纸/剪纸设计和电磁驱动等，但这些方法大多涉及主体材料与相关刺激之间的物理相互作用，且存在材料组成复杂、制造程序昂贵或需外部刺激维持等问题。同时，水凝胶辅助增材制造方法虽受关注，但现有水凝胶多作为支撑材料或模板，未与主体打印材料发生化学反应。
（二）研究灵感
人体中的肌肉纤维从周围的水凝胶基质中获取能量进行重构，受此启发，研究人员引入一种新的水凝胶反应性微环境驱动的重构机制，以在化学活性水凝胶前体溶液中使聚合物结构发生变形。
二、实验过程与结果
（一）PCL结构的制备与重构
1）材料与方法
通过熔体电写（MEW）制备聚己内酯（PCL）纤维和四方结构的PCL晶格。将PCL置于密封装置中，注入聚丙烯酰胺（PAAm）水凝胶前体溶液，然后用紫外线（UV）照射观察重构过程。
2）PCL纤维的重构
未照射UV时，PCL纤维无变化。照射后，纤维发生显著的体积膨胀，从初始线性状态变为弯曲状态，径向生长达100.5%，横截面积增加488%，轴向伸长143%。同时，PAAm前体溶液转变为水凝胶，嵌入重构的PCL纤维。
3）PCL晶格的重构
四方PCL晶格包含八层PCL梁，直径约48
μ
m，单胞宽度500
μ
m。初始晶格，经过UV照射后，晶格从初始四方晶格通过梁的协同弯曲转变为正弦图案，嵌入PAAm水凝胶基质中。重构区域可通过UV掩模控制形成特定图案，如“太极”图案。
（二）水凝胶反应性微环境驱动策略及其重构机制
1）实验设置与观察
构建原位光学装置观察PCL梁和晶格的重构过程。选取不同长度的PCL梁，在PAAm前体溶液中进行UV照射。
2）PCL梁的膨胀过程
所有PCL梁在UV照射下均表现出明显的径向和轴向体积膨胀。以长度为348.7
μ
m的PCL梁为例，最终呈现弯曲的“香蕉形状”；长度约704.0
μ
m的梁呈现双向曲率；长度为2091.5
μ
m的梁从初始线性状态变为更显著的弯曲状态。
3）反应机制分析
通过FTIR和Raman光谱分析证明PCL与AAm单体在水溶液中发生非均相接枝聚合反应。光谱结果显示出PCL和PAAm的特征吸收峰，以及接枝聚合后的新峰。
机制可描述为：UV光照射PCL表面，引发自由基形成，AAm单体与PCL表面自由基反应，导致PCL-g-PAAm接枝聚合，使PCL表面从疏水变为亲水，AAm单体和水渗透到PCL基质中导致其膨胀，最终引起PCL梁的体积膨胀和晶格重构。
该策略不限于PCL-PAAm体系，例如PLA晶格在类似条件下也表现出类似的重构行为。
（三）晶格参数对重构的影响
1）PCL梁直径的影响
PCL梁的直径影响其膨胀程度和重构效果。随着直径增大，曲线数量减少，表明体积膨胀驱动力减弱，但波长（T）和振幅（A）增大。
2）PCL晶格单胞宽度的影响
单胞宽度决定晶格中的节点密度，影响对体积膨胀的阻力。较小的单胞宽度（较多节点）对应较高的阻力。当单胞宽度小于1.50mm时，生成有序正弦图案；宽度为1.50和2.00mm时，每个晶格单元呈现多于一个波。
3）UV光状态和曝光时间的影响
UV光的开关状态和曝光时间影响PCL晶格的变形过程。在UV关闭状态下几乎无变形，而在UV开启状态下变形迅速。通过控制UV光的开关，可中断和恢复变形过程。
（四）重构过程的有限元分析
1）模型建立与分析
采用非线性有限元分析（FEA）模型定量研究PCL晶格在第二阶段的拓扑重构过程和力学行为。将晶格视为由neo-Hookean超弹性材料组成，考虑其大弹性变形。
2）模型验证
模拟的PCL晶格几何形状与实验结果相符，证明模型能定量预测PCL晶格的力学行为。模拟结果与实验数据在节点旋转方向、梁弯曲方向和耦合屈曲传播特性等方面一致。
