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陜科大王學川教授/黨旭崗副教授 Small:盲鰻粘液啟發(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  來源:高分子科技

  隨著皮膚生物電子學的進步,水凝膠可穿戴設(shè)備在環(huán)境感知和健康監(jiān)測等方面表現(xiàn)出了巨大前景。然而,它們的應(yīng)用仍受到機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重阻礙。為應(yīng)對此挑戰(zhàn),陜科大王學川教授/黨旭崗副教授團隊受盲鰻黏液的層次結(jié)構(gòu)和獨特交聯(lián)機制的啟發(fā),報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)簡單、韌性高的啟發(fā),本文報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。PVACMCS分別作為盲鰻粘液中蛋白絲和粘蛋白的替代品,同時在這些基質(zhì)之間引入Fe3+Bn,形成多種動態(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性能。該水凝膠被進一步制成應(yīng)變傳感器和單電極摩擦電納米發(fā)電機,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)用研究進一步體現(xiàn)了它們在皮膚生物電子學領(lǐng)域的巨大潛力。


1 CP@BFL的合成原理圖及導(dǎo)電自愈合行為


  本研究采用簡單的一鍋法快速制備水凝膠。PVACMCS作為具有高度生物相容性的水凝膠聚合物基質(zhì)。Fe3+Bn作為雙交聯(lián)劑整合到水凝膠中。Fe3+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,含有甲;团鸹BnPVACMCS建立了動態(tài)可逆的亞胺鍵和硼酯鍵,進一步加強了水凝膠的骨架。


  此外,吸濕性LiCl的加入增強了離子電導(dǎo)率和保濕性,同時抑制了水的結(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+所帶來的鹽析效應(yīng)增強了非共價交聯(lián)水凝膠的力學性能。具體來說,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械強度和彈性模量。


2 水凝膠的粘附性和自愈性


3 CP@BFL-TENG的自供電能力


4 基于CP@BFL-TENG的自供電醫(yī)療護理系統(tǒng)


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Small DOI: 10.1002/smll.202408640)。陜西科技大學輕工科學與工程學院(柔性電子學院)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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