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形状记忆高分子材料的研究进展及应用

王永伟 ,  武海 ,  尹佩齐

化学进展 ›› 2026, Vol. 38 ›› Issue (4) :707-730

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化学进展 ›› 2026, Vol. 38 ›› Issue (4) :707-730 DOI: 10.7536/PC20250716
综述与评论
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形状记忆高分子材料的研究进展及应用

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Recent Progress in Shape Memory Polymer and Its Applications

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摘要

形状记忆高分子材料(Shape memory polymers, SMPs)是一类能够在外部刺激条件(如温度、光照、电场、磁场等)下,自动恢复到预定形状的智能材料。自20世纪90年代初期以来,随着科学技术的进步,SMPs作为一种新型智能材料在众多领域获得了广泛的关注和研究,随着国家大力推动科技创新和产业升级,SMPs正迅速崭露头角,成为现代科技飞速发展的关键支撑之一。得益于其结构的灵活性和可调性,SMPs在生物医学、纺织工业、航空航天等多个领域展现出了巨大的应用潜力。本文将深入探讨形状记忆高分子材料的研究进展及在多个领域的应用,介绍其分类、特性以及发展历程;重点分析该材料在各个行业中的应用前景,并对当前存在的挑战及其未来的发展趋势进行论述展望。

Abstract

Shape memory polymers (SMPs) are a class of intelligent materials that can autonomously return to their predetermined shape in response to external stimuli, such as temperature, light, electric fields, and magnetic fields, etc. By now, SMPs have attracted significant attention due to advancements in science and technology, emerging as a novel and promising smart material. Owing to their structural flexibility and versatility, SMPs exhibit tremendous potential across a variety of fields, including biomedical engineering, textiles, and aerospace, etc. This review will explore the diverse applications of SMPs in various fields, beginning with an overview of their classification, characteristics, and development history, before delving into their application prospects. The article will conclude by examining the current challenges faced by SMPs and offering insights into their futuredevelopment trends.

Contents

1 Introduction

2 Classification of shape memory polymers

2.1 One-way shape memory polymers

2.2 Two-way shape memory polymers

2.3 Thermadapt shape memory polymers

2.4 Shape memory polymers with programmable recovery onset

3 Applications

3.1 Scaffold and drug release

3.2 Self-tightening sutures and procoagulant foam

3.3 Textile

3.4 Aerospace

3.5 Sensor

3.6 Information safety

3.7 Architecture

4 Conclusion and outlook

Graphical abstract

关键词

形状记忆高分子材料 / 热适性形状记忆高分子材料 / 双向形状记忆高分子材料

Key words

shape memory polymers / thermadapt shape memory polymers / two-way shape memory polymers

引用本文

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王永伟, 武海, 尹佩齐. 形状记忆高分子材料的研究进展及应用[J]. 化学进展, 2026, 38(4): 707-730 DOI:10.7536/PC20250716
Yongwei Wang, Hai Wu, Peiqi Yin. Recent Progress in Shape Memory Polymer and Its Applications[J]. Progress in Chemistry, 2026, 38(4): 707-730 DOI:10.7536/PC20250716

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1 引言

形状记忆高分子材料(Shape memory polymers, SMPs)[1-3]在外部刺激条件下(如温度[4-6]、湿度[7-8]、电场[9-10]、磁场[11-13]、光照[14-18]、pH值[19]、水[20-21]等)(图1),能够恢复到原始形状或特定的预设形状[22],这种形状变化过程通常伴随着材料内部微观结构的重排[23],进而导致其宏观形状的恢复。因此,形状记忆聚合物在不同的环境条件下表现出不同的形状记忆效应[24],具有较高的自适应性和灵活性[25]。20世纪40年代,尽管形状记忆的概念首次出现在聚合物的研究中,但并未引起学术界的关注[26]。20世纪60年代,随着热缩膜和热缩管的出现[3],因其具备优异的自我修复和适应能力,这类材料开始进入大众视野并在科学技术中备受关注。

形状记忆材料主要分为形状记忆合金(Shape memory alloys,SMA)和形状记忆聚合物(SMPs)[27]。随着材料科学的不断进步,SMPs的种类和功能已经日益丰富,它们不仅具有较好的加工性能[28],还能够在较低的温度下进行变形,与形状记忆合金相比[29],形状记忆高分子材料在加工性[30]、轻量化[31]和多样化[32-34]应用方面具有显著优势[35],同时具有更好的生物相容性[36],使其在航空航天、智能纺织品[37]、医学[38]、机器人技术[39]等领域具有广泛应用前景[3]。

例如,在航空航天领域,SMPs可以用于制造自适应和可变形结构[2];在医学领域,具有生物降解性的SMPs被应用于制作可控释放药物的智能植入物[40],以及用于外科手术的可调节支架;在机器人相关研究中[41],SMPs被用作具有自愈功能的软体机器人[42-44],能够响应外界环境变化,进行动态调整[39,45];在智能纺织品领域,SMPs则可以应用于智能衣物和自动调节的个人防护装备中。

尽管SMPs在各个领域展现了巨大的应用潜力[46],但其发展仍面临一些挑战。例如,SMPs的形状记忆性能通常受限于材料的热稳定性和响应速度[47],尤其是在较高的工作温度下,其性能往往不稳定[48]。同时,如何提高SMPs的力学性能、增强其耐久性和可靠性[49],也是研究中的关 键问题。本文旨在综述形状记忆高分子材料的发展现状,分析其在各个领域的应用,探讨其发展中面临的挑战,并展望未来的研究方向和应用前景。

2 形状记忆高分子材料的分类

形状记忆材料的变形过程通常可以分为三个阶段:形状固定阶段、形状保持阶段和形状恢复阶段。在形状固定阶段[50],材料通过外力(如拉伸[51]、压缩等[52])发生显著形变[53],并通过降温等来实现预定形状的固定[54-55]。形状保持阶段,也称为临时形状阶段,是指材料在形状固定后[56],能够在无外界刺激的情况下长时间保持这种变形的阶段[57]。此过程对于形状记忆材料的性能至关重要[58],它不仅决定了材料形变的稳定性[4],还为后续的形状恢复提供了必要条件[59]。在这一阶段,材料的分子链结构通常处于较低能态[60-61],并具有恢复到原始形状的潜力[62]。形状恢复阶段是材料在外部刺激条件下(如温度、电场、磁场等)恢复到预设形状的阶段[63-64]。在此过程中,分子链的结构发生变化[65],导致材料的宏观形状发生变化,最终从临时形状恢复到其原始形状或预设形状[66]。材料可以根据外部条件的变化进行形状的调整与恢复[67],通过精确调控外部环境条件[68],可以实现对形状记忆材料恢复过程的精确控制。形状记忆高分子材料通常可分为传统的单向形状记忆高分子材料、双向形状记忆高分子材料,随着打印技术的出现,发展出了3D打印SMPs、同时还有能实现原始形状变形的热适性形状记忆高分子材料及恢复起始可编程的形状记忆高分子材料等,本文将从以上几个部分展开,并对其相关应用及未来发展进行介绍。

2.1 单向形状记忆高分子材料

单向形状记忆聚合物(One-way shape memory polymers, 1W-SMPs)是指一种具有简单形状记忆效应的高分子材料,能够在特定外部刺激下恢复到其预设形状。单向形状记忆材料[69]仅限于单一方向的形状改变,如需再次使用,需要重新编程(图2a),具有一定的应用潜力[70],尤其在需要高精度控制和单一方向形变的场合具备优势[71]。然而,在应对复杂多变环境并进行多重形态变化的情况下,这类材料的单一响应特性就表现出一定的局限性。故而,在实际应用中,选择这种材料时需要充分考虑其适用性。

Li等[72]提出了一种以中国传统鼓楼建筑为设计灵感,融合环氧-胺-丙烯酸酯光聚合体系,快速构筑复杂刚性三维几何结构多功能形状记忆智能器件的新方法,有效克服了传统技术在结构复杂性、响应速度及力学性能方面的限制(图2b)。该方法以双阶段反应为核心:第一阶段,通过环氧与胺之间的化学交联反应,制备出具有优良透明性、玻璃化转变温度为29~49 ℃的聚合物薄膜。随后,将薄膜切割为受鼓楼结构启发的二维剪纸图案(图2c)。第二阶段,在紫外光照射下诱导薄膜中的甲基丙烯酸酯基团发生自由基聚合,进一步交联制得3D结构(图2d),显著提升其热力学性能,Tg升高至66~138 ℃,且所得三维结构可承受高达其自重1000倍的外部载荷,展现出卓越的结构稳定性和刚性。此外,该策略具有极高的构筑效率,仅需紫外照射1 s即可完成从二维图案到三维结构的快速转化。同时,具有3D剪纸结构的形状记忆电子器件展现了优异的形状记忆性能,可以从二维薄膜转变为永久的3D剪纸形状(图2e),为低成本、高精度制造电子器件、智能结构与软体机器人等前沿应用提供了一种具有广阔前景的方法。

Guan等[73]通过调节交联密度并引入柔性脂肪族环氧链,成功合成了一种可在生理温度下改变形状的环氧聚合物,并探讨了其在生物医学材料领域的应用。经过编程,这种聚合物能够转变为多种形状。具体而言,首先将样品在约60 ℃的水浴中加热软化约5 s;然后取出样品并手动将其变形为波形(临时形状);接着将其转移至约10 ℃的冷水浴中固定形状。为了测试其形状记忆特性,将样品浸入60 ℃的水浴中,经过约6 s的加热,聚合物能够完全恢复到原始的长条形状,展示了优异的形状固定和恢复能力(图2f)。此后,聚合物经过多个形状记忆循环,其恢复形状几乎与原始形状相同,表明其具备良好的记忆能力和形状稳定性。同时,该聚合物表现出良好的相容性,能够有效支持细胞生长,展现了其在血管支架和组织支架等生物医学应用中的巨大潜力。

2.2 双向形状记忆高分子材料

单向形状记忆高分子材料由于性能过于简单,恢复到原始形状后,想要再次实现形状记忆功能,需要重新编程,具有极大的局限性,而双向形状记忆聚合物(Two-way shape memory polymers, 2W-SMPs)在外部刺激作用下,能够在两种状态之间发生可逆的形状转变[9,76]。双向形状记忆材料可以由温度或光照等驱动[77],当热响应SMPs从高温状态冷却到低温时,它会从初始形状转变为临时形状(图3)。当再次加热时,材料又会自发地由临时形状转变为初始形状[75]。在一些特殊材料中,除了温度驱动外,还可能涉及其他外部刺激(如电场、光照或磁场)来驱动其形态转变[78]。双向形状记忆材料的设计使得它可以在特定条件下自发地在两种形态之间转换[79-80]。这意味着在需要应对复杂多变环境并进行多重形态变化的情况下,这类材料具有更高的适应性[81],可以满足多场景应用的需求。

Liang等[82]通过硫醇-烯化学法,利用生物相容性的疏水聚四氢呋喃(PTHF)和亲水聚乙二醇(PEG)低聚物,成功制备出了智能形状记忆聚合物(SMPs)(图4a)。该类聚合物展现出在体温下触发的双向形状记忆效应(2W-SME)以及体温与水双重刺激下的三形转变形状记忆效应(1W-triple SME)(图4b)。在2W-SME中,PEG的高熔点和PTHF的低熔点共同作用,通过在高温下预拉伸和冷却固化,可以在37 ℃和低温之间实现双向形状记忆效应,温度升高时,聚合物可从临时形状恢复到预定的记忆形状,而当温度再次降低时,又能恢复至临时形状,实现形状的可逆变化,且可逆应变最高可达到25.2%,具有潜在的应用价值(图4c)。而在三形转变形状记忆效应中,通过在不同温度下对聚合物施加外力使其变形并固定临时形状,再利用PTHF的体温敏感性和PEG的亲水性分别触发形状恢复,实现了体温和水的双重触发三形转变形状记忆效应。这些效应源于PTHF与PEG之间不同的结晶熔融转变温度和PEG的亲水特性,赋予聚合物独特的智能响应特性。

2.3 热适性形状记忆高分子材料

传统的形状记忆高分子材料一旦合成后,其原始形状就固定下来,而医疗、航空航天、机器人等领域需要各种各样的、结构复杂的原始形状,合成后的原始形状不能发生变形,这极大地限制了形状记忆高分子材料的发展,而重新合成符合规格的具有复杂三维原始形状的形状记忆高分子材料会消耗大量的人力物力,为了解决目前存在的该类问题,热适性形状记忆高分子材料应运而生。热适性形状记忆高分子材料是一类具有独特分子结构和响应性能的智能材料,能够在特定的外界条件下改变材料的原始形状[83-85], 之后当该类材料被重新加热至其玻璃化转变温度(Tg)或熔点(Tm)以上时,分子链段获得足够的自由度,从而可以编程其临时形状;随后在冷却过程中,该临时形状被固定[86]。待再次加热至预定温度时,材料内部被冻结的链段重新被激活,驱动其迅速恢复至新的原始形状[87]。值得强调的是,这一过程并非简单的热胀冷缩所致,而是源于高分子体系中链段运动、微观相结构重组及物理/化学交联点协同作用的结果。因此,热适性形状记忆高分子材料不仅展现出优异的可编程性和可逆性[88],还在软体机器人、智能医疗器械[88]、自修复材料等前沿应用中展现出广阔的发展潜力。

通过简单而有效的方法将平面二维聚合物膜转化为复杂的三维结构具有一定的挑战性,实际应用也要求材料具有复杂精细的三维结构。动态共价聚合物网络能够实现从二维薄膜到三维结构的永久形状转换,尽管这一过程通常需要复杂的分子设计或制造工艺。Wang等[89]报道了一种由酯键交联的形状记忆聚合物,这种材料获得永久复杂初始形状的机理是:该材料能够在光照后释放酯交换反应的催化剂,随后通过加热激活并发生动态键交换,由于光照具有时空选择性,只有在特定光照区域才产生实现键交换反应的催化剂,由于光照沿材料厚度方向梯度衰减的原因,催化剂含量也相应的梯度衰减,催化剂含量多的区域,发生动态键的大量交换,而催化剂含量少的区域几乎不发生动态键的交换,最终使得该材料呈现局部应力松弛不均一的特性,当外力移除后,曝光区域和未曝光区域分别经历不同的形变机制,曝光区域表现为塑性变形,而未曝光区域则发生弹性恢复,最终,二维薄膜成功转变为三维复杂的结构(图5)。激活区域(曝光区域)和激活条件(加热条件)的解耦,为二维到三维形状转变提供了灵活的方法,极大地简化了这一过程。热适性形状记忆高分子材料主要是为了解决材料初始形状过于简单的问题,同时,热适性形状记忆高分子材料也可以实现双向、多形转变形状记忆高分子材料初始形状的3D化、精细化、复杂化,具有很高的应用潜力。

2.4 恢复起始可编程的形状记忆高分子材料

传统的形状记忆聚合物通常依赖外部刺激(如加热、光照等)来实现形状的恢复[90],这在实际应用中面临一定的挑战[91]。例如,对于植入式医疗设备来说,由于难以实施外部刺激,很难触发形状的恢复[92],而依赖自然刺激(如人体体温[82])的聚合物,则无法精准控制形状恢复的起始时间,这在一些特定应用场景中可能导致效果不稳定或不符合预期[37]。浙江大学的谢涛和赵骞等[93]利用相分离效应,开发了一种具有延时恢复特性的形状记忆材料。与传统基于热相变、依靠热传输实现形状转变的SMPs不同,该材料的形状转变动力学由内部质量扩散主导,其编程后处于相分离状态,聚合物链聚集,分子流动性受限;在自然冷却过程中,水扩散进入聚合物区域,使链段分子流动性增强,宏观形状恢复由缓慢的质量扩散过程控制(图6a)。这种机制使形状恢复不受热传输影响,从根本上改变了形状记忆的恢复方式,成功实现了自然触发的、恢复过程可控的能力。即该水凝胶突破传统形状记忆材料的局限性,不再依靠外部的刺激来实现形状的恢复,而是通过自身的延时恢复特性来实现形状的恢复,并且能够通过调整相分离程度来精确控制形状恢复的时间。通过将材料薄膜制成“风车”形状在90 ℃下编程60 min后,在25 ℃环境中,该材料并不会立即恢复形状,而是经过一段延迟时间后才开始形状恢复(图6b),通过监测水凝胶的红外图像等,验证了延时机制。这一发现在植入式医疗设备方面优势显著,正如前文所述,传统的SMP在实际应用中难以进行外部刺激,而具有恢复起始时间可编程特性的SMP,可避免材料在输送过程中提前展开,从而在生物医学检测和诊断中发挥重要作用(图6c, d)。

SMPs可以实现无刺激形状转变,但仍难以实现任意多形状变形[94]。为此,黄嘉诚等[95]合成了一个独特的具有自主恢复行为的形状记忆材料,基于光对材料交联密度的影响,进而调控其相分离动力学和形状恢复起始时间。该类形状记忆材料中含有硝基肉桂酸酯(NC)基团,其在光照作用下会发生二聚反应,当材料在不同温度下进行UV曝光时,NC基团的二聚化反应会导致交联密度发生变化,不同温度下的交联密度变化进一步影响网络的相分离程度,不同的相分离程度最终造成不同的形状恢复起始时间,由此便可以通过UV对材料起始时间进行调控。基于光对起始时间的调控作用,利用光照的时空选择性,对材料进行图案化曝光,通过控制温度和不同区域的曝光时间,可以使水凝胶的不同区域具有不同的恢复起始时间(图7)。在恒定室温下,基于简单的机械编程(如拉伸),该材料就能按照预设的顺序进行形状恢复,实现无外部刺激的多形状变形,比如制备的“灯笼”(图7c)、“风车”和“手”形材料,不同区域经UV曝光不同时间后,在室温下能按预设顺序自发展开,具有潜在的应用价值,但是恢复起始可编程形状记忆高分子材料目前只能实现单向形状记忆,在双向形状记忆等领域的研究有望成为未来的研究热点。

3 应用

随着高分子材料的不断发展,特别是在微观结构精确调控方面的突破[96](如聚合物链段的动态交联)以及先进制造技术的快速发展(如微纳米3D、4D打印技术)[72,97-101],形状记忆材料的“智能”特性体现在其不仅可以实现形状的恢复[102-104],同时它们也具有多功能性[105-109],通过对材料的设计与制造工艺的不断创新,形状记忆材料能够在更复杂的场景下发挥出独特的作用[110]。这一系列技术进步使得形状记忆材料在航空航天[111]、生物医疗[112]、柔性电子等高端领域具有潜在的应用价值(图8)。在航空航天领域[113],形状记忆材料可用于制造自适应翼面等[114],提升飞行器的性能与可靠性[115]。在生物医疗领域[116],这些材料能够应用于可植入医疗设备[117-119]、药物释放[120-122]等,为患者提供更为智能和个性化的治疗方案[123-125]。而在柔性电子领域[126],形状记忆材料的应用使得柔性传感器[127-129]、可穿戴设备等产品具备了更加灵活的形态和更强的性能[130],推动了智能材料的飞跃发展。

3.1 医学支架及药物释放

1959年,美国海军军械实验室开发了镍钛记忆合金,并以此拉开了形状记忆材料在医学领域的应用[131],形状记忆材料在生物医学领域拥有巨大的应用前景[132],如止血凝胶[133-135]、医用支架[136-139]、载药系统[140-141]、健康监测系统[142-144]、手术缝合线等[145]。最近,由于SMPs可实现生物降解性[146-149],这种生物降解性使得人们不需要进行二次手术来取出植入物[150],减轻了患者在治疗过程中的痛苦[151-152]。例如,止血贴剂中的SMPs泡沫会随着时间的推移而降解,无需取下止血贴剂[153]。在临床治疗的过程中,最理想的给药方式为在病灶上能够及时、准确地释放适当剂量的药物[154],然而在现实的治疗过程中这种给药方式是非常难以控制的,但是将SMPs应用于载药系统后便可实现药物的准确控释[155]。Jahangiri等[156-157]使用原位(交联前)或溶胀(交联后)方法制备了形状记忆膜来用于药物释放,通过该实验发现相比于原位法,溶胀法可能会对载药薄膜具有一定的负面作用,对载药装置的形状记忆性能产生影响。SMPs特殊的响应机制在心血管支架、食管支架及骨支架等方面也具有广阔的应用前景[158]。Cho等[159]将骨传导羟基磷灰石(HAp)与形状记忆聚合物(SMP)相结合,设计了一种用于骨软骨再生的H-SMP复合材料。HAp使得H-SMP表面出现晶体“峰”,增加了表面粗糙度,从而增强了细胞与基质的相互作用,有利于骨组织的再生。H-SMP材料不仅保留了SMP的形状记忆特性便于植入,还能够通过HAp的作用加速降解,适应骨组织的生长(图9a, b)。除了将SMP应用于软骨支架之外,北京航空航天大学的王丽珍等[160]受黄瓜卷须的启发,利用聚十二烷酸甘油酯(PGD)开发出一种微创可降解的PGD NP支架(图9c),用于治疗椎间盘退变问题。椎间盘中髓核(NP)一旦退变,自我修复能力极弱,而目前常用的治疗手段如脊柱融合术或椎间盘切除术不仅创伤大,还可能对周围组织造成损伤,甚至引发邻近节段病变。该支架在室温下呈细杆状,可通过细针实现微创植入。植入人体后,受体温刺激会自动卷曲成涡旋状薄片,显著增大横截面积,有效防止支架从穿刺孔中被挤出。通过调控反应参数(如羟基与羧基的摩尔比、固化时间等),可调节支架的力学性能,使其接近天然髓核,从而维持椎间盘的高度稳定。此外,研究人员通过固定基质细胞衍生因子-1α(Chemokine stromal cell-derived factor-1α, SDF-1α),使支架具备募集周围自体干细胞的能力,促进髓核组织的再生。动物实验(图9d)结果表明,该支架具有良好的生物相容性(支持细胞黏附与增殖)、可降解性(在9周内逐步降解)、高效的SDF-1α负载能力以及缓慢持续释放特性。再生的髓核组织结构稳定、纤维化程度低,骨赘形成率明显降低,整体力学性能接近正常椎间盘组织。综上所述,该PGD支架为椎间盘退变提供了全新的治疗策略,也展现出其在软骨等不可逆组织损伤修复中的广阔应用前景。

传统的心血管及食道支架多是由金属材料制成,再通过手术的形式将其安装在体内,起到支撑作用[156]。但SMPs的形状记忆性能与心血管和食管等支架的需求十分契合[160],进而使得SMPs在该方面的应用研究也成了目前的研究热点[161]。Wang等[116]通过引入可降解聚对二氧环己酮(PPDO)材料,成功改善了形状记忆聚乳酸(PLA)的脆性,并采用增塑剂降低了SMP复合材料的转变温度,使其能够在接近体温的条件下触发形变。此外,他们利用静电纺丝技术制备了具有褶皱结构的SMP纤维,通过调控微观结构与形貌,实现了纤维表面褶皱态与光滑态之间的可逆转变。该形貌可控的材料在术后智能控释药物与抑制瘢痕的应用研究中表现出色:拉伸变形后的载药纤维膜相比于原始形态具有更快的药物释放速率,同时,这种微纳米纤维膜在抗瘢痕效果方面表现良好,且载药后的性能得到了进一步提升。Liang等[82]通过硫醇-烯化学反应制备了基于疏水性聚四氢呋喃和亲水性聚乙二醇低聚物的形状记忆聚合物(SMPs),该聚合物具有体温和水双响应特性,并以此进行概念验证,并提出了一种新型的聚合物网络食道支架,还可将负载的大量药物在病灶处进行释放(图10a~d),具有生物降解性的聚合物支架在手术过程中通过变形将支架压缩成小尺寸(图10b),便于通过导管插入体内,达到预定位置后,随着温度变化,支架会自动恢复到原始形状,从而将管壁撑开,确保血管或管道的通畅[162]。这种具有形状记忆和生物可降解特性的聚合物材料支架,相较于传统的金属支架,具有避免二次手术的优势[163],显著减轻了患者在治疗过程中的痛苦。

目前,胃肠道出血的诊断和治疗通常依赖内窥镜,但传统的柔性有线工具在结肠壁和小肠等部位实施治疗时存在困难,同时伴随再出血、患者不适以及肠壁穿孔等风险。此外,一些区域,如小肠,难以到达,且药物可能会向健康组织扩散。尽管无绳设备被认为是解决这些问题的有效方法,但在使用软机器人载体进行胃肠道诊断和药物输送方面,现有技术仍存在空白。Heunis等[165]设计了一种无绳、磁响应的形状记忆软载体(图10c~e)。该软载体能够在体内模拟环境中无线移动到目标位置,并实现形状记忆转变及靶向药物输送,且药物可在约15 min内完全溶解。该材料具备无绳、磁驱动和温控形状转变等特点,能够在胃肠道中安全有效地移动并输送药物,显著减少患者的创伤和不适,目前医学领域已成为形状记忆材料应用最具前景的领域之一[156,158],该材料展现出较大的临床应用潜力,为推动形状记忆医学材料的发展奠定了坚实的基础。

3.2 促进伤口愈合

伤口愈合是人体自我修复的重要生物学过程,然而,许多因素(如感染、糖尿病、营养不良等)可能导致创伤愈合不良。因此,寻找能够促进伤口愈合的新型材料成为医学研究的一个重要方向。形状记忆材料凭借其能够根据外界刺激自动恢复形状的特性,在创伤修复和医疗领域中展现出独特的优势。通过智能化控制和适应性调节,形状记忆材料不仅可以加速伤口愈合,还能减少感染风险、改善愈合质量。刘欢等[145]基于胆汁酸开发了一种生物基形状记忆纤维(PU-CA-EG),该纤维采用天然胆汁酸(Cholic acid,CA)和低聚乙二醇(Oligo(ethylene glycol),EGₙ)为原料,并通过一锅聚合法制备而成(图11a~d)。该纤维的体外实验结果显示,在细胞毒性测试和溶血评估中,材料对细胞无毒性,溶血率接近零,完全符合临床应用的标准。体内实验方面,在大鼠伤口缝合实验中,PU-CA-EG纤维与传统的聚乙醇酸(PGA)和尼龙缝合线相比,表现出了相当的愈合速度(图11d),且引发的炎症反应更小,更容易拆除。此外,在智能缝合应用中,借助红外激光照射或热刺激,该材料能够实现自我收紧(图11b,c)。这一特性有效避免了传统缝合拆线时所造成的二次伤害,为伤口愈合提供了更加优越的条件。该生物基形状记忆纤维解决了传统生物医用材料在生物相容性、操作便捷性及功能单一性等方面的不足,为手术缝合、组织修复以及智能医疗设备提供了更安全、高效的解决方案。

除了伤口缝合纤维外,促凝血泡沫也是当前伤口愈合材料研究中的重要方向之一。该类材料主要用于应对创伤出血、术中止血及战地救援等紧急医疗场景,具有快速止血、安全高效、易于操作等显著优势。Du等[134]设计了一种具备抗菌和促凝血功能的形状记忆聚合物泡沫材料(DVA泡沫)。该材料通过将香草酸(VA)引入形状记忆聚合物(SMP)泡沫中,成功制备出DVA泡沫(图11e),展现出优异的止血、抗菌以及生物相容性。该DVA泡沫能够诱导初级和次级止血:一方面,其表面化学性质和多孔结构促进了血小板的活化与聚集,从而触发了初级止血机制;另一方面,香草酸能够显著促进凝血酶的活性以及纤维蛋白的形成,进而激活次级止血机制,进一步加速血液凝固。在猪肝脏损伤模型中,通过注射器将DVA泡沫粉末注入伤口,并配合短暂的手动按压,能够在约4分45秒内实现快速止血(图11f)。该过程操作简便,易于掌握,即使是未经特殊培训的人员也能够迅速进行有效止血。DVA泡沫对多种细菌,包括金黄色葡萄球菌和表皮葡萄球菌等,均展现出显著的抑制和杀灭作用,有效减少了潜在感染的风险。此外,DVA泡沫具有优异的形状记忆特性,可在压缩成较小体积后稳定储存。当暴露于体温(37 ℃)环境中时,它能够迅速恢复到原始形状。这一特性使得DVA泡沫在存储、运输及实际应用中都具有较高的便捷性和可靠性。总之,DVA泡沫凭借其卓越的止血、抗菌与形状记忆性能,在急救医学、战地创伤治疗及外科手术中的应用潜力巨大,为创新型止血材料的研发提供了新的思路。

3.3 智能纺织

近些年来,随着科技的进步,人们的生活水平大幅提高,穿戴舒适性已成为人们的基本需求[166]。目前为止,大多数纺织物的结构和功能通常是固定不变的[167],难以根据环境变化进行实时调节[168]。相较于传统静态结构的织物,活性织物具备响应外部环境刺激的独特能力[42,113],特别是具有形状记忆功能的纺织材料,能够根据温度、湿度等因素主动调节自身形态或结构[169]。这种特性使得活性织物在多个领域展现出显著的应用潜力和优势[170]。Benecke等[171]的研究发现[167],纺丝方法对热塑性聚氨酯纱线的形状记忆效应具有显著影响,该研究采用了熔融纺丝和湿纺法制备具有形状记忆性能的纱线,并分析了纺丝方法及相关参数对其形状记忆性能的影响。通过差示扫描量热法(DSC)确定了形状记忆效应的激活和固定温度。研究中分别采用熔融纺丝和湿纺法制备了三种纱线:DesmoM80、DesmoW2.2和DesmoW3,同时改变了拉伸比,DSC测量结果显示,这三种纱线在45 ℃(吸热)和10~15 ℃(放热)范围内均发生了明显的相变,表明它们具有优异的形状记忆性能。无论是熔融纺丝还是湿纺,都成功地制备出了均匀的复丝纱线,熔融纺丝纱线表面光滑,且纺丝速度较快;湿纺纱线则具有原纤结构,随着拉伸比的增加,原纤结构愈加明显,并且出现了单丝互连现象。在应变固定和恢复中,熔融纺丝纱线(DesmoM80)的形状固定率约为70%,高于湿纺纱线;然而,所有纱线的形状恢复率均接近100%。在应力测试中,湿纺纱线所产生的应力高于熔融纺丝纱线,并且随着拉伸比的增加,湿纺纱线的应力有所下降。通过对比熔融纺丝和湿纺法制备的形状记忆纱线的形状记忆特性,发现湿纺法能够产生更高的应力,而熔融纺丝法在形状固定方面表现得更为优越。总体而言,所有纱线的形状恢复率均为100%。研究结果表明,纺丝方法和拉伸比对形状记忆纱线的形状记忆效应有显著影响,为形状记忆纱线在不同应用领域选择合适的纺丝工艺提供了重要参考[171]。

人类是恒温动物,体温、渗透压、酸碱度及激素水平等因素对人体的稳态具有重要影响。为了维持体温的稳定,人类能够通过出汗等方式对外界温度变化做出反应。然而,这种自我调节的能力是有限的,因此,人们需要借助衣服来增强对外界温度变化的适应能力。衣服通过隔热作用帮助抵抗高温或低温[172],但与此同时,人体产生的汗液难以排出,无法为皮肤提供一个干爽的工作环境。Choe等[167]开发了一种智能纺织品(图12a, b),将聚乳酸(PLA)、聚氨酯(PU)和氧化石墨烯(GO)溶解成均匀溶液,通过湿法纺丝在凝固浴中形成分层多孔的智能材料聚合物纤维,然后,将这些纤维编织成纺织品,并在纺织品的一侧喷涂银纳米线(AgNW)。这种分层多孔结构通过阻断热传导、对流和辐射,显著提高了材料的隔热性能。纤维中添加的氧化石墨烯(GO)增强了其机械强度,使其适合进一步的纺织加工。而AgNW的喷涂赋予了纺织品高红外反射率(有效减少热量传递)以及显著的亲水/疏水不对称性(AgNW侧表现为亲水性,裸纤维侧则为疏水性),从而实现定向水分传输(即水分从疏水侧向亲水侧流动)。该SMP纺织品的隔热性能可以根据需要调节,当纤维受拉伸时,纤维间的缝隙增大,AgNW层出现裂缝,从而导致隔热性能下降;而在压缩状态下,纤维间的缝隙减小,隔热效果得到增强(图12c)。通过拉伸或压缩形变,隔热性能的变化可以达到原始值的65.7%,且经过多次形变与恢复的循环测试后,隔热性能依然稳定。该纺织品具有不对称的润湿性,AgNW一侧为亲水性,另一侧则为疏水性,水滴能从疏水侧流向亲水侧。通过拉伸或压缩形变,可以精确调控水分的定向流动,拉伸时,AgNW层裂缝增多,亲水性下降,定向水流被阻断;而压缩时,纤维间缝隙变小,定向水流同样被封闭(图12d,e),且这一控制过程是可逆的。在实际应用中,SMP纺织品能够在热环境中有效保护皮肤。比如在热空气或热水的作用下,变形的纺织品能够恢复原状,避免皮肤与高温直接接触。此外,将这种纺织品应用于人体皮肤时,能够有效阻挡红外辐射,并通过定向输水迅速去除汗水,从而保持皮肤温度稳定,效果优于传统的棉质材料。

通过环保工艺将温/湿度双响应纳米复合材料(由温度响应型聚氨酯SMPU和纤维素纳米晶须CNW组成)应用于棉、再生棉、黏胶、莫代尔、莱赛尔、竹纤维等6种再生纤维素针织面料,成功赋予面料动态调节性能。这种材料能通过温度变化改变孔隙结构(如40 ℃时透气性提升355%),同时利用纳米晶须的亲水特性增强湿度响应(65%湿度下透气性提升86.7%),实现了“高温透气、低温保暖”的智能调节效果。实验发现,莫代尔和黏胶面料处理后性能最优:在40 ℃时水蒸气透过率达139.67%,同时保持较低的弯曲刚度,兼顾舒适性与功能性。此外,处理后的面料还表现出优异的机械性能(顶破强度提升52.14%)和耐洗度(20次洗涤后失重仅1.12%),满足运动服装的实际使用需求[173]。该研究通过纳米复合技术在保持面料原有特性的基础上,实现了温/湿度双重响应功能,为高性能运动服和防护服装的研发奠定了重要基础。

3.4 航空航天领域

大型空间结构[175],如太阳能板、反射器和望远镜等[176],在太空探索中的应用至关重要[177]。这些结构需要通过航天器运输[178],为节约空间等因此必须具备可展开的特性[179],而实现这一特性的关键就在于高性能的致动器[180-181]。形状记忆聚合物(SMP)由于能够在外部刺激(如温度、光照、电场等)的作用下恢复原始形状,且具有重量轻、易于编程的优势,成为潜力巨大的致动器材料[182]。然而,纯形状记忆聚合物的机械性能较差,尤其是恢复力较低[183],这使得其在实际应用中面临一定的局限性。因此,研究人员常常将其与增强填料结合,形成形状记忆聚合物复合材料(SMPC)来改善其性能。尽管SMPC在一定程度上改善了机械性能,但传统的SMPC弯曲致动器在变形能力和恢复力矩方面仍然存在不足。虽然增加致动器的厚度可以提高其恢复力矩,但这往往会导致变形能力的降低,并且可能引发材料的失效,尤其是在需要多次变形和恢复的循环过程中。因此,如何在保证较高的变形能力的同时提高恢复力矩,成为了当前研究的重要挑战。为了克服这一问题,Kang等设计了一个双结构的SMPC弯曲驱动器(图13),这种创新性设计结合了两个新的功能:多中性轴(MNA)皮肤和可展开的核心结构,旨在提高驱动器的整体性能。通过在SMPC硬层间嵌入由聚二甲基硅氧烷和乙氧基化聚乙烯亚胺混合制成的软层(模量差异超5个数量级),利用多中性轴效应降低弯曲时的轴向应变,使最大压缩应变减少91%,同时保持高恢复率(98%~100%)。这种结构在厚度增加时避免了纤维断裂和微屈曲,显著提升了变形能力,性能优于以往的SMPC弯曲致动器。循环测试后,恢复力矩仅下降8%,恢复率保持在较高水平[174]。

形状记忆聚合物及其复合材料因其零件少、重量轻、成本低的优点,成为太空探索中可展开结构的理想材料。然而,这些材料在太空环境中存在热稳定性差和耐久性不足等问题,限制了它们的广泛应用。为解决这一挑战,Jayalath等[176]通过将石墨烯纳米片(GNP)与玻璃纤维织物(GF)复合,加入由双酚A氰酸酯单体(BACE)和聚乙二醇(PEG)合成的形状记忆聚合物中,合成了一种新型的形状记忆复合材料(图14a)。该材料在承受多向应力、极端环境和高温热机械稳定性方面表现优异。研究者制备了含石墨烯纳米片的GTX样品与不含石墨烯纳米片的NTX样品,并在不同纤维铺层布局下进行了原子氧暴露(图14e)、真空热老化等测试。结果显示,添加石墨烯纳米片的GTX形状记忆聚合物复合材料不仅在形状恢复能力方面表现更为出色(图14c,d),而且在原子氧暴露实验中(图14b),其侵蚀程度较低,化学结构未受明显影响,优于NTX。如上所述,该复合材料具有优异的性能,适用于轨道卫星的承重部件和可展开结构等太空应用。

3.5 电子器件

柔性电子技术发展迅速[185],已经在机器人、人机交互和健康监测等多个领域展现出巨大的应用潜力[186]。传感层中常见的微结构类型包括金字塔形[187]、柱形[188]、半球形[189]和多孔微结构[190]。这些初级微结构能够有效提高传感器的灵敏度[191],但要达到超过10 kPa-1的灵敏度仍然面临挑战。为了解决这一问题,研究人员提出了多级微结构的概念[192]。然而,多级微结构的制造过程往往面临复杂度高、效率低和缺乏可控性等问题。因此,迫切需要开发一种高精度、高效率且能够精确控制形貌的技术,以实现多级微结构的制造。由于形状记忆聚合物(SMP)具备热收缩特性,因此受到了大量科研工作者的关注。同时,激光技术因其高精度加工能力,成为了制造精密微结构的理想工具。基于此,陈瑞等[184]尝试通过激光技术促使SMP收缩,从而实现多级微结构的制造。研究中,聚苯乙烯(PS)被选为形状记忆聚合物,利用其在玻璃态与高弹态之间的可逆转变特性(玻璃化转变温度约为100~110 ℃),通过激光热效应实现了可控的收缩变形。该研究利用紫外激光直接在SMP表面制备多级微结构,然后通过聚二甲基硅氧烷(PDMS)进行复制,得到具有凸起特征的微结构,最后,在此基础上加入导电层并进行组装,制成传感器。该压力传感器的灵敏度高达15.05 kPa-1,在0~200 kPa的范围内表现出优异的线性相关性(R2=0.994),其响应时间为57 ms,恢复时间为62 ms,能够稳定地检测人体生理信号(图15a~c)以及在不同温度下抓握物体(图15d,e)。利用激光促使SMP收缩制造多级微结构的方法,有效提升了柔性压力传感器的性能。这一技术在医疗监测等领域具有广阔的应用前景[121]。此外,该技术的成功应用为高性能柔性压力传感器的研发提供了新的思路,并为智能机器人[193]、可穿戴医疗设备[194]等领域带来了创新性的技术解决方案。

Liang等[15]合成了一种新型近红外光刺激响应形状记忆聚合物(SMP),该材料具有超过97.6%的形状固定率,可逆应变高达17.2%,展现出优异的形状记忆效应。研究人员通过将其拉伸并与铝箔结合,制作成双层层压板致动器,并设计了两种光驱动开关(图16a),进一步展示了该材料在电子领域的广泛应用前景。张亚楠等[127]通过将炭黑(CB)和碳纳米管(CNT)掺杂进形状记忆聚合物(SMP)中,成功制备了CB-CNT-SMP(CC-SMP)复合材料。该复合材料表现出优异的快速变形能力、卓越的热稳定性及形状记忆性能。更为重要的是,CC-SMP材料具有双重响应特性,即能够对温度和电刺激作出快速响应(图16b)。基于该复合材料的这些优异特性,研究人员成功开发出了微型插座与高性能的压力传感器(图16c,d),充分展现了其在智能传感器领域的应用潜力。

3.6 信息安全

信息安全和产品防伪在现代社会中日益重要,尤其在高端制造、药品、奢侈品、票据及证件等领域。尽管传统的防伪技术,如条码、水印和激光全息标识等广泛应用,但随着技术成熟,往往容易被仿制,缺乏持续的技术壁垒。形状记忆高分子材料因其可控的形状转变特性,为信息加密、隐藏与动态展示提供了新的可能,具有成为新一代防伪技术和信息加密载体的广阔前景。Qi等[195]制备的形状记忆光子晶体(SMPCs),凭借独特的链间氢键重构机制与拉普拉斯压差调控,这些光子晶体展现出形状记忆性能和循环稳定性。研究首次揭示了该类SMPCs的应用,第一级CSME(Confined shape memory effect)由水分子触发链间氢键重建,激活区域在乙醇蒸汽作用下恢复并呈现显色变化(图17a);第二级CSME则通过压力诱导氢键重组,锁定恢复的骨架(图17b),并通过溶胀实验和红外光谱等验证了该效应源自拉普拉斯压差与氢键的作用。基于此,研究实现了结构色图案的编码、提取与增强(图17c,d),为信号放大、信息编码等纳米光子应用开辟了新路径。Li等[11]通过激光烧蚀复制成型合成了一种掺杂铁粒子的形状记忆聚合物微锥。该材料能够通过调节激光参数控制微锥的高度,并利用近红外光与磁场实现倾斜与直立之间可逆的调节。研究还发现,倾斜微锥由于三接触线(Triple contact line,TCL)长度变化,对液滴具有各向异性的黏附力,从而实现液滴单向传输、捕获与释放等多功能操控。此外,该微锥可用于信息加密(图17e)、选择性液滴释放和可重复使用的温度开关等,为多响应智能器件的开发提供了一种简便的策略。Ma等[196]研发了一种基于蒽功能化的苯乙烯-丁二烯-苯乙烯(SBS-CAN)2D/3D防伪系统,以应对伪造问题。该系统融合了物理不可克隆的自褶皱图案、荧光特性与形状记忆三大核心功能(图17f)。通过紫外光控制蒽基团二聚反应及预拉伸操作,可以实现表面褶皱与荧光的2D信息输入,并且该荧光信息可通过不同紫外光照射进行多次擦写,具有很强的耐用性。通过加热条件下的折纸技术,将2D信息加密为3D结构,提升了安全性并降低了克隆风险。在解密时,首先需要加热使3D结构恢复为平面,然后拉伸至特定比例,才能读取2D荧光与褶皱信息。该系统制备简便、信息容量大且难以复制,为高安全性信息载体提供了新方案,在商品、货币等防伪领域具有广阔的应用前景。

3.7 建筑材料

混凝土作为一种广泛应用的建筑材料,凭借其优异的强度和稳定性,在各类工程项目中占重要地位[197]。然而,混凝土在使用过程中容易出现裂缝,这不仅会影响其结构性能,还可能显著降低其耐久性[198]。为了有效解决这一问题,Maddalena等[199]开发了一种结状形状记忆聚合物(Knotted shape memory polymer, k-SMP)纤维(图18a),并通过一系列实验研究了k-SMP纤维对混凝土裂缝闭合的作用。研究人员制作了6个有效长度为100 mm(图18b)、纤维定向分布的样本(AD)(图18c),以及5个有效长度为55 mm、纤维随机分布的样本(RD)(图18d),并进行了裂缝闭合测试。实验结果表明,在加热条件下,AD的平均裂缝闭合率达到了77%,部分裂缝完全闭合;而RD样本的裂缝闭合率为45%。这一结果证明了k-SMP纤维在有效减小裂缝宽度方面的巨大潜力,且纤维的分布和取向对裂缝闭合效果有显著影响。具体来说,由于AD样本具有更高的纤维含量和更有利的纤维取向,裂缝闭合效果明显优于RD(图18e)。k-SMP纤维在加热时还能够产生收缩应力,从而进一步促进裂缝的闭合。此外,k-SMP纤维还展示了显著的裂缝桥接作用,这有效提高了材料的弯曲韧性。值得一提的是,AD系列在经历初始弯曲能力下降后,还表现出一定的硬化行为,这意味着其在使用过程中能够继续提供更强的结构支撑。k-SMP纤维不仅能够显著改善混凝土的裂缝修复效果,还能提升其韧性和耐久性,该技术的应用为混凝土裂缝修复提供了新的思路,并具有广阔的应用前景,尤其在需要耐久性和强度要求的工程领域。

建筑能耗占全球能源消耗的40%,而窗户作为建筑中能效最低的部分之一,成为节能改进的关键。热致变色智能窗因其零能耗特性,成为一种极具吸引力的被动自动切换节能装置。理想的热致变色智能窗应在加热和冷却模式下均保持较高的可见光透过率,同时实现近红外和中红外波段的调制,从而有效降低建筑能耗,但这一目标依然面临挑战。Jiang等[200]基于双向形状记忆聚合物研发的高透光热致变色智能窗(HVTW)具有卓越的光学调控性能,能够保持超过50%的可见光透过率,并实现44.0%的近红外调节率和76.5%的中红外调节率。该智能窗能够在可见光、近红外和中红外波段进行调节,为建筑节能提供了创新方案(图19)。其不仅在保持高可见光透过率的同时展现了优异的近红外和中红外调节性能,还具备卓越的温度调节能力和稳定性,为节能建筑中的热致变色窗发展铺平了道路,助力实现全球净零碳目标。

4 结论与展望

现阶段的SMPs虽然在许多领域具有广阔的应用前景,但是目前的SMPs在多次循环后回复率会有所下降,大多数的SMPs在进行5~8次的循环后易导致分子链断裂或交联失效,使得SMPs的寿命非常有限,对于需要进行多次形变的情况,现阶段的SMPs的性能显得十分有限,极大限制了SMPs的实际应用。并且,高柔韧性与高强度难以兼顾,目前的SMPs大多不能兼顾高韧性与高强度,高交联密度可提升力学强度,但会限制分子链运动,降低其变形能力;低交联密度的SMPs柔韧性好,但易发生塑性形变,难以承载机械负荷。

虽然目前形状记忆高分子材料由于其具有优异的重加工性、质轻价廉,同时具有良好的生物相容性、可降解性等,在航空航天、智能纺织品、生物医药、机器人技术等领域具有广阔的应用潜力,但是目前对形状记忆高分子材料应用方面的研究仍局限在基础研究阶段,其在工业应用中的落实仍面临一些挑战。因此,面对以上问题,对于如何推动形状记忆高分子材料从基础研究向实际应用的转化,作者提出了一些对该类工作的未来展望:如SMPs在长时间使用过程中可能会遭遇性能降低,尤其是在高温或极端环境条件下,如何保证其长期稳定性是一个亟待解决的问题。虽然SMPs具有良好的加工性,但如何在大规模生产中控制其性能稳定性、提高生产效率仍是技术上的难点,现有的生产工艺和设备尚未完全满足大规模工业化生产的需求。形状记忆高分子材料的性能受外部刺激的影响较大,因此如何实现多环境下的高效响应,以及如何在复杂环境下确保其稳定性,仍然需要大量的研究。不同应用场景对SMPs的要求不同,如何通过调整分子结构、控制相变温度、增强材料的导电性或导热等特性来满足特定的需求,是应用研究中的关键。

要推动形状记忆高分子材料的快速应用,必须从实际需求出发,解决目前基础研究中没有涉及到的具体问题,这就要求研究不仅仅停留在理论和实验室阶段,更要关注产业需求和市场应用,如开发能够在更广泛环境下高效响应的SMPs,例如在极端温度、高湿度等环境中,依然能够保持稳定的形状恢复特性。随着环境问题的日益严重,如何使SMPs更加环保、可降解,并减少对环境的危害,成为研究的另一个重要方向。开发出具有良好生物相容性和可降解性的形状记忆高分子材料,能够在医学、环境保护等领域大放异彩,开发具有形状记忆和电导性、热导性双重特性的材料,使其能够在电池、电子设备中得到应用,这种材料能够在变化的环境中自我调节形态,并与其他功能性材料协同工作。随着定制化产品需求的增加,形状记忆高分子材料的可加工性和定制化特性可以为一些特定行业提供个性化解决方案,尤其是在航空航天、智能医疗设备、个性化纺织品等领域。

推动SMPs的实际应用,需要更多跨学科的合作,材料科学、化学工程、机械工程、电子学、医学等多个学科的融合将为SMPs的产业化奠定基础。例如,在机器人技术中,结合人工智能和传感器技术,可以实现SMPs的自适应变化,使机器人能够根据不同任务需求改变形态,执行不同功能。

此外,产业化过程中,科研机构与企业的合作也显得尤为重要。企业可以提供实际的市场需求,推动科研向应用转化,而科研机构则可以提供前沿技术,为企业的产品创新提供技术支持。

综上所述,形状记忆高分子材料的应用前景巨大,但目前的研究大多仍停留在基础阶段,要实现从实验室到实际应用的转化,关键在于以实际需求为导向,紧密结合产业和市场需求,解决当前存在的性能稳定性、生产工艺等方面的难题。随着更多科学家和工程师的共同努力,形状记忆高分子材料必将在未来的许多高技术领域迅猛发展,推动相关技术的进步和应用的发展。

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基金资助

大连理工大学精细化工国家重点实验室开放课题基金资助项目(KF2411)

新疆维吾尔自治区人力资源和社会保障厅“天池英才-青年博士”引进计划项目资助

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