水凝膠復合材料
關注創建者：匿名 創建時間：2022-01-14
水凝膠復合材料的實例教程
原位礦化的羥基磷灰石納米晶體主要沉積在海藻酸鹽水凝膠上，并沿著纖維骨架取向排列，均勻分布于復合水凝膠基體中。
圖2. 結構、成分表征：(a-b) 天然松木的橫截面及縱截面結構；（c）脫木質素前后木材各組分含量變化；（d-e）脫木素后模板的橫截面及縱截面結構；（f）脫木質素前后模板的XRD圖譜；（g-i）模板填充水凝膠后的微觀結構；（j）沉積HAp后復合水凝膠的微觀結構；（k）水凝膠復合HAp的TEM圖及對應的選區電子衍射斑；（l）復合水凝膠中HAp的三維分布；（m）復合水凝膠的2D SAXS圖。
由于纖維素與海藻酸鹽之間的氫鍵作用以及在基體內均勻分布的Hap納米晶體填充效應，該復合水凝膠表現出超強的力學性能，沿纖維取向方向的拉伸強度高達67.8 MPa，彈性模量達到670 MPa，比常規化學交聯水凝膠高3個數量級，并超過大多數的強韌水凝膠材料，與天然骨的強度接近。在平行取向方向，水凝膠拉伸強度為13.2 MPa，彈性模量為7.4 MPa，表現出顯著的各向異性。
圖3. 化學處理后的木材（WW）、木材水凝膠(WH)、HAp礦化的木材水凝膠（MWH）復合材料力學性能對比：(a-c) 分別為WW、WH及MWH沿纖維取向L和垂直纖維取向R的拉伸應力-應變曲線；(d-e)拉伸強度和彈性模量對比；(f) 本研究制備的MWH與其他具有代表性的水凝膠材料、軟骨、骨組織的機械強度及彈性模量對比；(h) 海藻酸鹽水凝膠與纖維素分子間的氫鍵結合。
納米HAp的定向有序沉積賦予了此木材水凝膠復合材料獨特的生物功能性，不僅改善了成骨細胞在WH上的增殖和粘附，并成功誘導細胞向成骨分化。
展開 水凝膠是一種含水量較高的聚合物網絡，通過將水凝膠與其他高分子材料快速鍵合形成水凝膠-高分子復合結構，可起到保護、增強水凝膠結構或引入新功能的作用，在生物醫療、柔性電子、軟體機器人等諸多領域有著巨大的應用價值。目前研究者主要將精力集中在水凝膠與硅膠間的復合，且結構多為簡單的層狀結構，極大地限制了其應用。雖然基于數字光處理的3D打印技術可對各種光敏水凝膠和高分子材料進行三維成型，但是水凝膠與其他高分子材料界面間的結合力較弱，如何在打印水凝膠-高分子復合結構的同時增強不同材料間的界面結合力仍然是一個難題。
近日，南方科技大學機械與能源工程系葛锜副教授課題組與浙江大學曲紹興教授課題組合作研究發現，利用改性水溶性光引發劑-2,4,6(三甲基苯甲酰基)二苯基氧化膦（TPO）在引發丙烯酰胺水凝膠光聚合反應時的不完全性，使其能與包括彈性體、剛性聚合物、ABS類樹脂、形狀記憶高分子在內的不同（甲基）丙烯酸酯類樹脂形成共價界面，極大地提高了水凝膠-高分子材料的界面結合力。如圖1所示，利用該團隊自主開發的數字光處理技術多材料3D打印系統，可實現水凝膠-高分子高精度多材料復雜混合三維結構的快速一體化成型。通過三個應用案例，證明了所提出的新方法可以極大地豐富水凝膠-高分子結構與器件的設計自由度，并對其功能和性能實現進一步的提升。
圖1. 多材料3D打印水凝膠與其他高分子材料的復合三維結構
利用該多材料3D打印技術可實現多種水凝膠三維復合材料結構的快速一體化成型。通過剛度增強微結構設計，水凝膠復合材料的模量有幾十倍甚至幾百倍的提升，如圖2所示。
展開 ：在構筑強韌水凝膠材料方面取得重要進展
中山大學鄧文斌、高理錢《ACS AMI》：超短肽復合水凝膠用于藥物緩釋與促進糖尿病傷口愈合
中科院上海硅酸鹽所吳成鐵研究員團隊Biomaterials：噴霧式β-FeSi2 復合水凝膠用于便攜式皮膚腫瘤治療和創面愈合
西安交大成一龍課題組《Chem. Mater.》: 抗疲勞斷裂、高拉伸性氨基酸基高分子復合水凝膠
南科大楊燦輝課題組：強韌多孔納米復合水凝膠用于水體修復
針對這一問題，西安交通大學機械結構強度與振動國家重點實驗室、航天航空學院軟機器實驗室研究人員盧同慶教授及高揚副教授與哈佛大學鎖志剛院士提出了一種水凝膠復合補片（Hydrogel-mesh composite, HMC）。通過將組織黏附水凝膠與醫用補片復合，得到的水凝膠復合補片在與組織形成強粘接的同時，還綜合了水凝膠及外科補片的優點，如生物相容性、對水及小分子的可滲透性，高的面內剛度及低的彎曲剛度等。這種水凝膠復合補片在組織的無縫線創口閉合中表現出巨大的應用潛力。
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水凝膠復合補片的基本概念
圖1 水凝膠復合補片的基本概念
水凝膠復合補片可通過水凝膠材料與外科補片間的宏觀拓撲互穿結構來實現（圖1A）：即將水凝膠前驅體溶液浸入到外科補片纖維間連通的孔洞中并原位引發交聯，所形成的水凝膠在單根纖維尺度上與外科補片拓撲互穿而結合，從而得到水凝膠復合補片。當該水凝膠復合補片被用于組織創口之上，特別是承受著較大應力的組織上時，外科補片作為骨架將應力均勻分散在較大的粘接界面之上（圖1B）。與之相比，縫線會在創口周邊組織中產生顯著的應力集中（圖1C）；而水凝膠材料自身較低的面內剛度，使其在組織承受應力時易于發生大變形，從而不利于創口的閉合（圖1D）。
展開 高分子水凝膠驅動材料是近年來發展起來的一類具有與生物組織相似的“軟、濕態”特性的智能高分子材料，它們能夠像生物體一樣“感知”各種外部刺激，從而發生可逆形變，因而在仿生驅動器、軟質機器人等領域具有巨大的應用潛能。但通常受限于材料自身的成分及結構，這些智能水凝膠驅動材料通常存在難以實現三維復雜形變、難以脫離水環境進行驅動、功能較為單一等問題，限制了其進一步應用。針對現存的問題，中國科學院寧波材料技術與工程研究所智能高分子材料團隊研究員陳濤和張佳瑋通過構筑系列的非對稱性高分子水凝膠及其復合材料體系，實現了其在智能水凝膠驅動器的多功能應用。
通過模仿自然界中生物體的各向異性結構，采用紫外光原位法，他們將氧化石墨烯-聚（N-異丙基丙烯酰胺）（GO-PNIPAM）復合水凝膠中的氧化石墨烯局部還原，從而高度可控地獲得了非對稱的各向異性結構。以其為模板，在水凝膠未還原區域引入具有不同刺激響應性的第二網絡，進一步實現了多重響應（熱、光、離子強度和pH響應）的3D復雜形變并設計了一種“仿生抓手”，可在多種外界刺激下，準確抓取特定的目標物（Adv. Funct. Mater. 2016, 26, 8670）。
圖1 （A）含羞草在空氣中響應及其響應機理，（B）具有水分子內循環系統的雙層水凝膠，雙層水凝膠在（C）水、（D）油、（E）空氣中的響應功能
由于智能水凝膠驅動材料需要通過與周圍水溶液發生物質交換誘導水凝膠的溶脹或收縮，從而實現形狀的可逆改變，因而水凝膠驅動材料通常在水相中才能實現驅動功能。構筑可在多種環境實現驅動的水凝膠驅動器，有助于充分發揮智能水凝膠驅動材料的潛能。借鑒含羞草受到外界刺激時葉片閉合、葉柄下垂的機理（水分子在葉枕上下兩部分的定向移動），他們利用熱響應行為相反的高分子構筑了雙層水凝膠（圖1）。
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水凝膠復合材料的最新內容
來源 | Small
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背景介紹
輕質隔熱材料對于運輸和儲存溫度敏感的物品、電子設備熱管理、優化建筑物內部的舒適性至關重要。常用的商業絕緣隔熱材料包括聚合物基隔熱泡沫，如膨脹聚苯乙烯(EPS)和膨脹聚乙烯(EPE)。諸如此類的塑料是造成碳排放的核心因素之一，占全球碳排放量的15%。因此，利用天然可生物降解的聚合物制造高度可持續和節能的材料可以最大限度地減少對化石燃料的依賴
來源 | International Journal of Heat and Mass Transfer
原文 | https://doi.org/10.1016/j.ijheatmasstransfer.2023.123946
01
背景介紹
隨著科技的飛速發展，器件功率密度的提高和器件的小型化
低回滯納米復合水凝膠材料的結構示意及其力學行為。
基于水凝膠復合材料不僅可以調節陽光透過率，還可以提高材料的機械和熱響應速度，然而現階段智能窗主要注重調節透光能力，在太陽光調控的過程中，太陽輻射的能量被浪費。
在紫外灰度曝光技術的輔助下，該方法可以在基底表面可控構筑多樣化的水凝膠圖案化涂層；同時該方法適用于孔材料和膜材料的表面浸潤改性；特別是在快速制備水凝膠-纖維復合材料過程中展現出重要優勢（圖4）。
自然界中許多濕滑的生物組織具有典型的層狀結構，進而賦予其獨特的功能特性，水凝膠是制造類層狀組織結構體的重要人工材料，如何實現仿生層狀濕滑水凝膠材料的按需制造，突破層數、層網絡結構、幾何尺寸、厚度、成分和力學性能在時間尺度上的精確調控頗具挑戰。
中科院上海硅酸鹽研究所吳成鐵研究員團隊首次設計、開發了一種具有腫瘤治療和傷口愈合功能的快速成型原位噴霧水凝膠，對于清除手術切除后殘留的腫瘤組織和快速促進皮膚創面愈合至關重要。他們發現β-FeSi2（FS）可作為一種新型抗腫瘤劑，不僅具有理想的光熱性能，而且釋放的Fe離子可以在腫瘤部位誘導芬頓反應，具有化學動力療法的特性。因此，β-硅化鐵/海藻酸鈉(FS/SA)復合噴霧水凝膠可以通過光熱和化學動力協同有效地殺死腫瘤細胞
界面蒸發太陽能海水淡化對于緩解全球淡水危機來說是一種很有前景的低成本方式。近年來，因其能有效降低水的蒸發焓而顯著提高水的蒸發效率，水凝膠逐漸成為一種廣受歡迎的太陽能驅動的界面蒸發器的制作材料。但是對于蒸發器來說，在追求高效的蒸發表現的同時，材料的可持續發展性也備受關注，尤其考慮到蒸發器在工作狀態中的生物適應性，可持續性，
長期以來，清潔的飲用水一直是國際社會所追求的目標。據報道，發展中國家每年有數百萬人死于因飲用含有病原微生物的水而引起的疾病。全球人口增長和持續的流行病無疑加劇了安全用水的挑戰。當前，無論是使用化學試劑還是采用蒸餾對水進行凈化，都需要較高的能耗以及相對集中的凈水設施。因此，迫切需要一種低成本、快速、安全無污染、節能的水處理方法來應對如何獲取清潔的飲用水這一全球挑戰。 近日，來自美國德克薩斯大學的研究
《PNAS》西安交通大學盧同慶、哈佛大學鎖志剛院士：用于傷口閉合的水凝膠-網狀復合材料
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《Joule》東華大學武培怡：雙網絡水凝膠熱電池具有非凡的韌性和高功率密度，可實現連續熱量收集
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《Nature Catalysis》四川大學肖丹/德州大學余桂華:單原子聚吡咯水凝膠!
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《Science》下一代可穿戴電子設備！
