高強度水凝膠是一類具有三維交聯網絡的軟濕性材料，在柔性電子器件、生物組織替代、組織工程支架等領域有巨大的應用潛力。賦予水凝膠材料自愈合（自修復）能力可以自動修復損傷，恢復其結構和功能，從而提高凝膠材料使用的安全性、可靠性和耐久性，延長其使用壽命。然而，高強度水凝膠的聚合網絡需要強度較高且穩定的交聯，而實現水凝膠自愈合需要動態可逆的交聯，因此，高強度和自愈合從本質上來講是相互矛盾的。如何制備同時具有高機械強度和優異自愈性能的水凝膠材料是水凝膠研究中的一項重要挑戰。

為實現凝膠材料高強度和自愈合性能的集成，北京林業大學楊俊研究小組與北京化工大學萬鵬博研究小組合作設計了一種基于納米纖維素增強和配位鍵可逆修復的復合水凝膠材料。通過在納米纖維素表面均勻涂布單寧酸并進行自由基原位聚合和離子交聯，形成具有動態交聯結構特征的高強度凝膠材料。此外，該凝膠材料還具有優異的粘附性和應變響應的導電特性，可直接黏附到人體的皮膚上，用來檢測手指彎曲等大形變以及脈搏跳動等微弱的生理信號。成功地將組裝后凝膠傳感器應用于投籃訓練姿勢矯正，并可通過人體運動實時監測系統在智能手機客戶端對用戶健康狀況進行分析和診斷。這項工作為設計纖維素基的多功能水凝膠提供了新的思路，拓展了可穿戴柔性電子和醫療保健監測的實際應用。研究成果以“Mussel-Inspired Cellulose Nanocomposite Tough Hydrogels with Synergistic Self-Healing, Adhesive, and Strain-Sensitive Properties”為題在線發表在《Chemistry of Materials》(2018,30 (9), 3110–3121) 期刊上。

圖1 水凝膠的制備方法、形貌和形成機理

圖2 水凝膠作為應變傳感器的應用探索

最近，該小組根據生物體組織力學特性，將單寧酸包覆的納米纖維素均勻分散到聚乙烯醇和硼酸體系中，制備得到的凝膠材料不僅兼具高強度和快速修復能力，還展現出獨特的應變硬化特性和動態粘附性，這種具有仿生動態力學特征的凝膠材料與人體軟骨組織具有相似性，為后續探索其在生物醫學材料領域的應用提供了新的途徑。該研究成果以“Mimicking Dynamic Adhesiveness and Strain Stiffening Behavior of Biological Tissues in Tough and Self-Healable Cellulose Nanocomposite Hydrogels”為題在線發表在《ACS Applied Materials & Interfaces》 期刊上。

圖3  具有動態粘附特征的凝膠材料力學行為

上述研究論文第一作者是博士研究生邵長優，楊俊副教授為該系列工作的通訊作者，相關工作得到國家自然科學基金和中央高校基本業務費專項資金資助。

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https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsami.8b21588

來源：高分子凝膠與網絡