Kai-Ruei Yang, Qian-Pu Cheng, and Shan-hui Hsu
ACS Appl. Mater. Interfaces 2025, 17, 42, 58709–58724

國立臺灣大學 高分子科學與工程學研究所 徐善慧特聘教授

本研究的新型雙層水凝膠致動器，其主動層為兩種高分子PNIPAM與GelMA的複合網路（PNG）。在紫外光交聯後，GelMA 形成共價網絡提供結構支撐，而PNIPAM 鏈段則在網絡中互鎖形成團簇；在這些團簇內，PNIPAM 鏈段間存在可逆的物理互鎖作用，當水凝膠受到破壞時，鏈段能重新滲透並藉由氫鍵再度形成互鎖結構，使材料恢復結構與力學性能。這些化學交聯與物理互鎖的協同作用賦予 PNG 水凝膠韌性與彈性，可通過 17G 針頭注射後仍維持形狀與功能，展現結構穩定性。將此主動層PNG結合GelMA被動層組合列印成雙層水凝膠致動器，主動層於升溫時因 PNIPAM 收縮而產生體積變化，與被動層 GelMA 間形成應變不匹配並導致彎曲，同時累積內部應力。當溫度降低時，PNG 層重新溶脹並釋放應力，使彎曲方向反轉，形成穩定可逆的雙向致動行為。進一步將被動層GelMA更改為可自癒合的 PU-gelatin-GelMA (PUGG)複合網路時，可使雙層致動器展現出自癒合性能，在致動器斷裂後藉由主動層中 PNIPAM 鏈段的可逆互鎖重組與被動層內的動態鍵結協同促進結構修復，維持致動功能。綜合而言，本研究提出的以 PNG 為主動層的雙層水凝膠致動平台，整合可列印性、致動機制、自癒合能力、韌性與生物相容性，可於循環操作或結構損傷後維持穩定運作，提供體外仿生平台、微創醫療與組織工程等領域發展應用。