陜科大王學(xué)川教授/黨旭崗副教授 Small：盲鰻粘液?jiǎn)l(fā)的高拉伸自修復(fù)超分子水凝膠用于多功能自供電可穿戴設(shè)備

2025-01-20 來(lái)源：高分子科技

關(guān)鍵詞：仿生高拉伸自修復(fù) 超分子水凝膠自供電可穿戴設(shè)備

隨著皮膚生物電子學(xué)的進(jìn)步，水凝膠可穿戴設(shè)備在環(huán)境感知和健康監(jiān)測(cè)等方面表現(xiàn)出了巨大前景。然而，它們的應(yīng)用仍受到機(jī)械性能和自愈性能差、環(huán)境敏感性和受限的感知功能的嚴(yán)重阻礙。為應(yīng)對(duì)此挑戰(zhàn)，陜科大王學(xué)川教授/黨旭崗副教授團(tuán)隊(duì)受盲鰻黏液的層次結(jié)構(gòu)和獨(dú)特交聯(lián)機(jī)制的啟發(fā)，報(bào)道了一種自供電的超分子水凝膠，具有極高的拉伸性、超快的自主自愈能力、高自粘性、可注射性、易成型性、抗菌性和生物相容性。相關(guān)工作被發(fā)表于《Small》 (IF: 13.0)。

受盲鰻黏液結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、韌性高的啟發(fā)，本文報(bào)道了一種由聚乙烯醇（PVA）、羧甲基殼聚糖（CMCS）、4-甲酰苯硼酸（Bn）和LiCl組成的高粘接、快速自愈的超分子聚合物網(wǎng)絡(luò)水凝膠。PVA和CMCS分別作為盲鰻粘液中蛋白絲和粘蛋白的替代品，同時(shí)在這些基質(zhì)之間引入Fe³⁺和Bn，形成多種動(dòng)態(tài)交聯(lián)相互作用，從而賦予了水凝膠優(yōu)異的自愈合性能和力學(xué)性能。該水凝膠被進(jìn)一步制成應(yīng)變傳感器和單電極摩擦電納米發(fā)電機(jī)，與其他導(dǎo)電水凝膠相比，表現(xiàn)出更優(yōu)越、更全面的性能。最終，對(duì)水凝膠傳感器在惡劣環(huán)境、醫(yī)療通信和水下環(huán)境中的應(yīng)用研究進(jìn)一步體現(xiàn)了它們?cè)谄つw生物電子學(xué)領(lǐng)域的巨大潛力。

圖1 CP@BFL的合成原理圖及導(dǎo)電自愈合行為

本研究采用簡(jiǎn)單的一鍋法快速制備水凝膠。PVA和CMCS作為具有高度生物相容性的水凝膠聚合物基質(zhì)。Fe³⁺和Bn作為雙交聯(lián)劑整合到水凝膠中。Fe³⁺與PVA的羥基和CMCS的氨基和羧基形成配位鍵，有效地交聯(lián)了PVA鏈和CMCS鏈。同時(shí)，含有甲酰基和硼基的Bn與PVA和CMCS建立了動(dòng)態(tài)可逆的亞胺鍵和硼酯鍵，進(jìn)一步加強(qiáng)了水凝膠的骨架。

此外，吸濕性LiCl的加入增強(qiáng)了離子電導(dǎo)率和保濕性，同時(shí)抑制了水的結(jié)晶，從而賦予了水凝膠的防凍能力。此外，在LiCl溶液中引入Li⁺所帶來(lái)的鹽析效應(yīng)增強(qiáng)了非共價(jià)交聯(lián)水凝膠的力學(xué)性能。具體來(lái)說(shuō)，Li⁺優(yōu)先與周圍的水分子結(jié)合，形成穩(wěn)定的溶劑化層，減少了水分子與PVA分子鏈的相互作用。因此PVA分子鏈更容易相互靠近，形成更緊密的交聯(lián)結(jié)構(gòu)，這種網(wǎng)絡(luò)收縮效應(yīng)可以提高水凝膠的機(jī)械強(qiáng)度和彈性模量。

圖2 水凝膠的粘附性和自愈性

圖3 CP@BFL-TENG的自供電能力

圖4 基于CP@BFL-TENG的自供電醫(yī)療護(hù)理系統(tǒng)

圖5 基于CP@BFL-TENG的防水應(yīng)變傳感器

總之，這些發(fā)現(xiàn)突出了所制備的水凝膠在軟機(jī)器人和柔性電子等新興領(lǐng)域的巨大潛力。與傳統(tǒng)的導(dǎo)電水凝膠相比，CP@BFL水凝膠因其相對(duì)較低的制造復(fù)雜性和更高的成本效益而脫穎而出。且基于其優(yōu)異的拉伸性和自愈性，高導(dǎo)電性和粘附性，易模塑性，抗菌性能，生物相容性，良好的防凍和保水性，環(huán)境適應(yīng)性和多感官能力，這不僅有助于水凝膠的生物功能，而且為生物質(zhì)資源的利用提供了創(chuàng)新和環(huán)境可持續(xù)的途徑。

相關(guān)研究成果以“Bio-inspired highly Stretchable and Ultrafast Autonomous Self-Healing Supramolecular Hydrogel for Multifunctional Durable Self-Powered Wearable Devices”為題發(fā)表于Small （DOI: 10.1002/smll.202408640）。陜西科技大學(xué)輕工科學(xué)與工程學(xué)院（柔性電子學(xué)院）碩士研究生付蕓濤為該論文的第一作者，通訊作者是陜西科技大學(xué)生物質(zhì)與功能材料研究所黨旭崗副教授。

原文鏈接：https://doi.org/10.1002/smll.202408640

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（責(zé)任編輯：xu）

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