川師大趙麗娟教授、王義副教授 Mater. Horiz.：通過協(xié)同氫鍵和偶極-偶極交聯(lián)構建超高拉伸、自恢復、自愈合且粘附性水凝膠

2025-01-10 來源：高分子科技

水凝膠因其在可穿戴電子設備、人造皮膚及生物醫(yī)學工程等新興領域的潛在應用前景備受關注。然而，水凝膠有限的拉伸性、自恢復性和抗裂性，嚴重制約了其在苛刻環(huán)境中的實際應用。盡管采用膠束交聯(lián)、納米填料以及動態(tài)相互作用等方法在性能提升方面取得了一定進展，但如何制備同時具備高拉伸性、自愈性和強粘附性的水凝膠仍然是一個挑戰(zhàn)。

近期，四川師范大學趙麗娟教授、王義副教授團隊在Materials Horizons上發(fā)表了題為“Ultra-stretchable, self-recoverable, notch-insensitive, self-healable and adhesive hydrogel enabled by synergetic hydrogen and dipole–dipole crosslinking”的研究論文。研究提出了一種基于丙烯酰胺（AM）、馬來酸（MA）和丙烯腈（AN）的AMA水凝膠網(wǎng)絡，通過動態(tài)物理交聯(lián)實現(xiàn)了超高拉伸性、自恢復性、缺口不敏感性、自愈合性和粘附性等優(yōu)異性能（見Scheme 1）。

與傳統(tǒng)依賴不可逆共價鍵的化學交聯(lián)水凝膠不同，該AMA水凝膠網(wǎng)絡利用高度動態(tài)的偶極-偶極相互作用和較低動態(tài)的氫鍵交聯(lián)，形成了一個既堅韌又高度可拉伸的網(wǎng)絡結構。偶極-偶極相互作用與氫鍵的不同弛豫時間，使這些交聯(lián)鍵在拉伸應力作用下能夠依次斷裂并重組，伴隨著聚合物鏈的延展與斷裂，從而實現(xiàn)逐級變形。即使在超過9000%的拉伸應變下，水凝膠仍表現(xiàn)出卓越的彈性與自回復性。這種優(yōu)異的拉伸性和韌性在物理交聯(lián)水凝膠中極為罕見，同時顯著提升了材料的抗裂能力（斷裂能＞10 kJ/m2）。此外，AMA水凝膠還展現(xiàn)出良好的自愈合性能，得益于其動態(tài)交聯(lián)網(wǎng)絡的可逆性。MA和AN基團的引入進一步增強了其粘附性能，使其可牢固附著于玻璃、金屬、塑料、橡膠和豬皮等多種基底。通過引入LiCl，水凝膠還具備導電能力，成為可穿戴應變傳感器的理想候選材料，可實現(xiàn)對人體運動的精準檢測。該研究通過協(xié)同氫鍵和偶極-偶極相互作用，在單一水凝膠網(wǎng)絡中實現(xiàn)了機械性能和功能性能的突破性結合，為開發(fā)高拉伸、高耐久性的下一代水凝膠材料開辟了新途徑。其成果為柔性電子設備、生物醫(yī)學工程和健康監(jiān)測等領域的創(chuàng)新應用提供了重要理論與實踐支撐，展示了廣闊的應用前景。