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近期，在Adv Mater，Adv Funct Mater，ACS Appl. Mater. Interfaces上报道了多篇水凝胶相关的工作，有些工作非常有意思，限于篇幅和小编知识面，这里只能选取部分高强度水凝胶方面的工作和大家分享。(在公众号中输入“水凝胶”查看更多内容) 1.应变响应的高度可拉伸水凝胶光纤 哈佛医学院的Seok-Hyun Yun课题组最近报道了一种高拉伸的、应变响应的水凝胶光纤，这种水凝胶光纤是由海藻酸/聚丙烯酰胺杂化凝胶为主要成份形成的核壳结构水凝胶纤维，该纤维的网络结构和制备方法如图所示。所制备的水凝胶纤维具有良好的强度、形变能力和弹性，将这种核壳水凝胶纤维与普通的硅光纤结合，利用光在核和壳的折光指数的不同，就可以把它用于光传导，研究发现传播损耗只有0.45 dB/cm。另外，当水凝胶纤维经过染料染色，拉伸的时候光的衰减就会随着拉伸程度的增加而增加。因此，这种水凝胶纤维还可以作为应变传感器。 参考文献：Guo J J, Liu X Y, Jiang N, Yetisen A K, Yuk H, Yang C X, Khademhosseini A, Zhao X H, Yun S H*, Highly Stretchable, Strain Sensing Hydrogel Optical Fibers, Adv Mater, 2016, DOI:10.1002/adma.201603160. 2.基于超分子水凝胶的仿软骨双网络水凝胶 南京大学物理学院的曹毅、蒋青和王炜教授合作报道了一种新型结构的杂化双网络水凝胶（PS-DN凝胶），这种水凝胶以短肽形成的超分子凝胶为第一重网络、以化学交联聚丙烯酰胺（PAAm）为第二重网络。短肽通过自组装形成纤维状的结构，进一步形成超分子凝胶，这种结构与软骨中胶原的结构非常类似。PS-DN凝胶表现出良好的强度（0.32-0.57 MPa）、形变能力（66-90%）和韧性（300-2670 J/m2），并且具有快速的恢复能力和耐疲劳性能。这种杂化DN凝胶的增强增韧的机理主要来源于超分子结构的破坏和快速的重构过程。 参考文献：Sun W X, Xue B, Li Y, Qin M, Wu J Y, Lu K, Wu J H, Cao Y*, Jiang Q* and Wang Wei*, Polymer-Supramolecular Polymer Double-Network Hydrogel, Adv Funct Mater, 2016, DOI: 10.1002/adfm.201603512. 3.用于自驱动能源及人体运动传感的环境友好型柔性水凝胶基器件 伴随着传统石化能源的日益枯竭，新能源与可再生能源的开发与利用得到广泛重视。摩擦纳米发电机作为新型的能源收集方式以其独特的优势正获得越来越多的关注。通过材料间的摩擦起电和静电感应效应，摩擦纳米发电机能够将环境中的机械能转化为电能。相较于其它能量转化技术，摩擦纳米发电机具备结构简单、成本低廉、制备材料多样性以及目标能源广泛等优点。然而，随着未来摩擦纳米发电机在电子领域的进一步普及，由此产生的电子废弃物将不可避免地导致环境问题。因此，发展环境友好的摩擦纳米发电机显得尤为重要。 近期，香港理工大学郝建华教授研究组提出的新型水凝胶基摩擦纳米发电机有望解决以上问题。该研究以物理交联的聚乙烯醇水凝胶作为基材，结合该材料优异的柔韧性、弹性、可降解性、生物相容性以及安全无毒等性能，使得所制得的水凝胶基摩擦纳米发电机能同时具备柔性和环境友好性，因而在柔性电子和绿色电子等领域具有巨大的应用潜力。该研究制备出的水凝胶基摩擦纳米发电机能产生200V的开路电压以及22.5μA 的短路电流。当负载电阻为10MΩ时，标准器件的最大输出功率可达到2mW。相应的管状器件具有优异的柔韧性，可应用于收集多种人体运动机械能，如弯曲，扭转和伸缩运动机械能的收集。同时，通过分析输出电压信号的峰强度和峰间距，所制备的管状器件还可作为自驱动传感器应用于人体运动监测。此外，该研究中使用的聚乙烯醇水凝胶具有可逆交联结构，因而使该摩擦纳米发电机显示出优异的可循环功能。循环后的水凝胶基摩擦纳米发电机的开路电压可达到初始开路电压的92%，从而既延长了该摩擦纳米发电机的使用周期也相应的减少了废弃物的产生，进一步提升了该器件的环境友好性能。本研究从环保角度出发，探索了发展柔性能量源及自驱动运动传感器的可行性，对未来摩擦纳米发电机在相关领域的规模化应用起到了积极的推动作用。 参考文献：Wei Xu, Longbiao Huang, Manchung Wong, Li Chen, Gongxun Bai, Jianhua Hao*, Environmentally Friendly Hydrogel‐Based Triboelectric Nanogenerators for Versatile Energy Harvesting and Self‐Powered Sensors,Advanced Energy Materials,2016, DOI: 10.1002/aenm.201601529 4. 具有三维复杂形变的多响应各向异性水凝胶 中国科学院宁波材料技术与工程研究所陈涛研究员和张佳玮副研究员报道了一种可以发生复杂三维形变的多响应各向异性水凝胶。他们首先制备了聚(N-异丙基丙烯酰胺)/氧化石墨烯（PNIPAM/GO）水凝胶，然后用254 nm的紫外光还原凝胶中的GO，在这个还原过程中，凝胶表明覆盖一层具有斜条图案的遮板。经过光还原，GO被部分还原成石墨烯，并形成图案化的水凝胶片。这种图案化的水凝胶片可以在近红外（NIR）和加热的情况下发生从二维到三维形状的变化。如果，经过进一步聚合，引入聚甲基丙烯酸网络在上述的图案化水凝胶片中，得到的凝胶可以在多重刺激响应下（NIR、温度、pH、离子强度）发生三维到三维的形状变化。另外，通过设计，这种多重刺激响应的各向异性水凝胶还能做成器件。 参考文献：Ma C X, Le X X, Tang X L, He J, Xiao P, Zheng J, Xiao H, Lu W, Zhang J W*, Huang Y J, Chen T*,A Multiresponsive Anisotropic Hydrogel with Macroscopic 3D Complex Deformations,Adv Funct Mater, 2016, DOI: 10.1002/adfm.201603448. 5.集导电、自黏附和自修复的仿生可植入生物电子水凝胶 西南交通大学材料学院的鲁雄课题组报道了一种仿贻贝的导电、自黏附和自修复的韧性水凝胶，并将其用于传感器模拟和可植入生物电子。这种水凝胶以聚多巴胺（PDA）部分还原并包覆的氧化石墨烯（pGO/PDA）为增强和导电组分，通过组成优化pGO/PDA/PAM水凝胶具有良好的形变和韧性、导电性、自黏附、自修复性能和生物相容性。这种导电的自黏附的水凝胶可以检测脉搏的跳动，并且具有很好的稳定性。另外，它还可以作为生物电子器件植入体内研究活体组织行为。 参考文献：Han Lu, Xiong Lu*, et. al., A Mussel-Inspired Conductive, Self-Adhesie, and Self-healable Tough Hydrogel as Cell Stimulators and Implantable Bioelectronics, Small, 2016, DOI: 10.1002/smll.201601916. 6.超韧聚电解质复合物凝胶实现3D打印 浙江大学高分子科学与工程系吴子良教授及其合作者近期利用聚合物离子凝胶（即聚电解质复合物形成的凝胶，简称PIC 凝胶）实现了高韧性凝胶的3D打印。他们的方法主要利用了PIC凝胶在盐水和纯水中区别非常大的物理特性。PIC凝胶在高浓度盐水中形成高黏度的溶液，可以通过喷嘴挤出在水中，而在纯水中经过溶胶-凝胶转变形成高韧性的凝胶。阴离子/阳离子聚合物的电荷比和聚合物在盐水中的浓度影响着PIC凝胶的可打印性，只有在合适的条件下才能实现3D打印。他们开发的方法能打印多种复杂形状的凝胶，并且打印出来的凝胶具有高强度、高韧性性质，这种挤出的3D打印凝胶的方法可能会拓展和加强高强韧水凝胶的应用。 参考文献：Fengbo Zhu, Libo Cheng, Jun Yin,Ziliang Wu*, Jin Qian*, Jianzhong Fu, and Qiang Zheng.3D printing of ultra-tough polyion complex hydrogels.DOI：10.1021/acsami.6b09881，October 25, 2016 7.牛奶蛋白制备缺口不敏感的高拉伸水凝胶 最近，来自韩国首尔国立大学的Ki Tae Nam 和 Jeone-Yun Sun利用牛奶中的酪蛋白成功制备了高拉伸并且缺口不敏感的水凝胶。酪蛋白是一种含磷钙的结合蛋白，对酸敏感，pH较低时会沉淀。酪蛋白是哺乳动物包括母牛，羊和人奶中的主要蛋白质，又称干酪素、酪朊、乳酪素，在水溶液中会形成酪蛋白胶束。作者利用酪蛋白胶束的凝聚作用制备了酪蛋白/聚丙烯酰胺杂化水凝胶，研究发现该凝胶具有高拉伸性，可以拉伸到起始长度的35倍，并且具有缺口不敏感性，凝胶的撕裂能达到3500 J/m2，作者认为能量耗散的机制是酪蛋白胶束间的摩擦以及酪蛋白胶束的塑性形变。
参考文献：Jinwoo Ma, Jaehun Lee, Sang Sub Han, Kyu Hwan Oh, Ki Tae Nam*, and Jeong-Yun Sun* .Highly Stretchable and Notch-Insensitive Hydrogel Based on Polyacrylamide and Milk Protein.DOI: 10.1021/acsami.6b10912，October 17, 2016 8.高强度可形状记忆的聚乙烯醇/单宁酸水凝胶 北京师范大学化学学院的汪辉亮教授课题组报道了一种新型的可形状记忆的高强度水凝胶，这种水凝胶以聚乙烯醇（PVA）和单宁酸（TA）为主要成分，形成了纯氢键交联的网络结构。单宁酸，有称鞣酸，是一种聚多酚化合物，含有大量酚羟基，在水果、葡萄酒等有它的身影。PVA/TA凝胶可以通过加热混合接着冷却就可以简单便捷的制备，并且表现出强的机械性能（拉伸强度2.8 MPa、拉伸形变1100%）。PVA/TA凝胶中同时存在强的和弱的氢键相互作用，它还具有优异的热响应形状记忆性能，湿的或干态的凝胶都可以在60℃条件下几分钟处理而恢复原始形状。 参考文献：Ya-Nan Chen, Lufang Peng, Tianqi Liu, Yaxin Wang, Shengjie Shi, and Huiliang Wang*.Poly(vinyl alcohol)–Tannic Acid Hydrogels with Excellent Mechanical Properties and Shape Memory Behaviors.DOI: 10.1021/acsami.6b08374，September 20, 2016 9.电场驱动的电活性韧性水凝胶 中国科学院宁波材料所付俊研究员课题组报道了电活性的高强度水凝胶，这种水凝胶以三嵌段共聚物胶束（F127DA）为交联剂，成功制备了分别含有阳离子和阴子的高强度水凝胶，这两种水凝胶都具有高机械性能（如阴离子凝胶表现出59 MPa的压缩强度），并且这些带电荷的高强度水凝胶可以在电场条件下发生驱动。电场强度、电解质浓度和离子单体含量都影响着这类凝胶的驱动行为。这种电活性高强度凝胶可以在120s的时候发生87°的偏转，并且这种弯曲是可重复、多次可逆的（弯曲角变化不大）。该研究表明强韧的多响应性水凝胶可以在传感器、驱动器、开关和人工肌肉等领域有潜在的应用前景。
参考文献：Yufen Li, Yuanna Sun, Ying Xiao, Guorong Gao, Shuhui Liu, Jianfeng Zhang, and Jun Fu*.Electric Field Actuation of Tough Electroactive Hydrogels Cross-Linked by Functional Triblock Copolymer Micelles.DOI: 10.1021/acsami.6b08841, September 12, 2016 来源 来源 | 高分子凝胶前沿研究进展 授权转载 |
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