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

2025-01-10 來(lái)源：高分子科技

水凝膠因其在可穿戴電子設(shè)備、人造皮膚及生物醫(yī)學(xué)工程等新興領(lǐng)域的潛在應(yīng)用前景備受關(guān)注。然而，水凝膠有限的拉伸性、自恢復(fù)性和抗裂性，嚴(yán)重制約了其在苛刻環(huán)境中的實(shí)際應(yīng)用。盡管采用膠束交聯(lián)、納米填料以及動(dòng)態(tài)相互作用等方法在性能提升方面取得了一定進(jìn)展，但如何制備同時(shí)具備高拉伸性、自愈性和強(qiáng)粘附性的水凝膠仍然是一個(gè)挑戰(zhàn)。

近期，四川師范大學(xué)趙麗娟教授、王義副教授團(tuán)隊(duì)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(lái)酸（MA）和丙烯腈（AN）的AMA水凝膠網(wǎng)絡(luò)，通過(guò)動(dòng)態(tài)物理交聯(lián)實(shí)現(xiàn)了超高拉伸性、自恢復(fù)性、缺口不敏感性、自愈合性和粘附性等優(yōu)異性能（見(jiàn)Scheme 1）。

與傳統(tǒng)依賴不可逆共價(jià)鍵的化學(xué)交聯(lián)水凝膠不同，該AMA水凝膠網(wǎng)絡(luò)利用高度動(dòng)態(tài)的偶極-偶極相互作用和較低動(dòng)態(tài)的氫鍵交聯(lián)，形成了一個(gè)既堅(jiān)韌又高度可拉伸的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。偶極-偶極相互作用與氫鍵的不同弛豫時(shí)間，使這些交聯(lián)鍵在拉伸應(yīng)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(shí)現(xiàn)逐級(jí)變形。即使在超過(guò)9000%的拉伸應(yīng)變下，水凝膠仍表現(xiàn)出卓越的彈性與自回復(fù)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(jiàn)，同時(shí)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(dòng)態(tài)交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)的可逆性。MA和AN基團(tuán)的引入進(jìn)一步增強(qiáng)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(guò)引入LiCl，水凝膠還具備導(dǎo)電能力，成為可穿戴應(yīng)變傳感器的理想候選材料，可實(shí)現(xiàn)對(duì)人體運(yùn)動(dòng)的精準(zhǔn)檢測(cè)。該研究通過(guò)協(xié)同氫鍵和偶極-偶極相互作用，在單一水凝膠網(wǎng)絡(luò)中實(shí)現(xiàn)了機(jī)械性能和功能性能的突破性結(jié)合，為開(kāi)發(fā)高拉伸、高耐久性的下一代水凝膠材料開(kāi)辟了新途徑。其成果為柔性電子設(shè)備、生物醫(yī)學(xué)工程和健康監(jiān)測(cè)等領(lǐng)域的創(chuàng)新應(yīng)用提供了重要理論與實(shí)踐支撐，展示了廣闊的應(yīng)用前景。