由于其獨特的可調(diào)節(jié)物理和結(jié)構(gòu)特性，水凝膠已成為一類用途廣泛的軟質(zhì)材料，可用于生物技術(shù)和生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的各種應(yīng)用，包括致動器、人造肌肉、藥物遞送和組織工程學(xué)等?；诰郾０?海藻酸鈉的雙網(wǎng)絡(luò)水凝膠具有出色的機(jī)械性能，包括高強(qiáng)度、韌性和可拉伸性。這種性能良好的水凝膠的應(yīng)用可以通過構(gòu)建多系統(tǒng)組成和多樣化性能而進(jìn)一步擴(kuò)展為智能材料。
近日，福州大學(xué)食品安全與生物分析教育部重點實驗室楊黃浩教授課題組成員張進(jìn)副教授與哈佛大學(xué)醫(yī)學(xué)院Yu Shrike Zhang教授課題組基于聚丙烯酰胺/海藻酸鈉/碳納米管/氯化鈣（PAAm/SA/CNTs/CaCl2）合作開發(fā)了用于遠(yuǎn)程驅(qū)動和低溫應(yīng)變傳感的功能化雙網(wǎng)絡(luò)水凝膠。
圖文詳解
1. PAAm/SA/CNTs復(fù)合DN水凝膠的制備及多功能性概述
研究人員以PAAm和SA為聚合物網(wǎng)絡(luò)，通過CNT的引入使水凝膠具有良好的機(jī)械性能、導(dǎo)電性和光熱轉(zhuǎn)化能力，PAAm/SA/CNTs復(fù)合水凝膠在近紅外光（NIR）輻射下可根據(jù)需要表現(xiàn)出可控的光機(jī)械變形，例如彎曲、膨脹、游走和抓取物體，從而實現(xiàn)智能驅(qū)動。此外，對水凝膠進(jìn)行CaCl2處理后，在低溫下保持其優(yōu)異的機(jī)械強(qiáng)度和彈性，并觀察到良好的電導(dǎo)率及在低溫下的高應(yīng)變感測能力。基于這種抗凍水凝膠的應(yīng)變傳感器，在某些極端條件下可作為可穿戴設(shè)備直接貼附在人體皮膚/織物上，且實現(xiàn)了人體運動進(jìn)行實時監(jiān)測的實際應(yīng)用（示意圖1）。
2. PAAm/SA/CNTs水凝膠的結(jié)構(gòu)表征、自修復(fù)性能及電性能
如圖1所示，PAAm/SA/CNTs復(fù)合DN水凝膠具有更出色的機(jī)械性能，包括強(qiáng)度、楊氏模量和應(yīng)變率。這主要是由于PAAm鏈通過CNTs中含氧基團(tuán)的自由基鏈轉(zhuǎn)移反應(yīng)被接枝到CNTs的表面。另一方面，CNTs的官能團(tuán)提供了與聚合物鏈的氫鍵鍵合，這賦予了復(fù)合DN水凝膠高強(qiáng)度和拉伸性以實現(xiàn)能量消散。此外，PAAm/SA/CNTs水凝膠在熱處理后還表現(xiàn)出優(yōu)異的自修復(fù)行為，這是由于加熱時水凝膠的SA雙鏈解離成單鏈，而在冷卻過程中Ca-SA網(wǎng)絡(luò)中的可逆離子鍵形成了新的金屬羧酸鹽絡(luò)合物。另一方面，復(fù)合DN水凝膠通過電路連接后引起燈泡發(fā)光，具有理想的電性能。
3. PAAm/SA/CNTs水凝膠的光響應(yīng)行為
類似于向日葵的行為，水凝膠對NIR光表現(xiàn)出彎曲運動（圖2A?B）。除光誘導(dǎo)的彎曲行為外，這種水凝膠還具有高效的自膨脹性、水中游動和抓握物體（圖2C,D, E）等變形能力。該水凝膠的上述光響應(yīng)行為是由于CNTs具有吸收NIR光并將其有效轉(zhuǎn)換為熱能的能力，再將熱信號轉(zhuǎn)換為機(jī)械運動。
4. PAAm/SA/CNTs/CaCl2復(fù)合水凝膠的機(jī)械性能、耐溫性和可恢復(fù)性
研究者通過稀釋鹽溶液的依數(shù)性開發(fā)了PAAm/SA/CNTs/CaCl2防凍水凝膠。如圖3所示，水凝膠在低溫環(huán)境下的機(jī)械強(qiáng)度和楊氏模量比常溫條件下的性能更高，并且壓縮應(yīng)變或斷裂伸長率與常溫水平的相當(dāng)。此外，無論在常溫或低溫下，水凝膠均顯示出良好的可恢復(fù)性。這種水凝膠為可穿戴設(shè)備、屏幕保護(hù)材料的開發(fā)提供了有效前景。
5. PAAm/SA/CNTs/CaCl2水凝膠在低溫下的電性能和應(yīng)變敏感性
防凍水凝膠在?20°C時仍保持出色的電導(dǎo)率，其電流值約為未用CaCl2處理水凝膠的80倍（圖4A?B）。這種導(dǎo)電防凍水凝膠還被用于電路設(shè)計中，能夠顯示福州大學(xué)“FZU”的徽標(biāo)（圖4C）。此外，因在低溫環(huán)境下（零度以下）良好的柔韌性、導(dǎo)電性能和可恢復(fù)性，這種復(fù)合水凝膠的電阻變化率在不同應(yīng)變條件下均保持穩(wěn)定（圖4D,E,F）。該凝膠應(yīng)變傳感器被成功應(yīng)用于可穿戴設(shè)備，以監(jiān)測零下溫度時的人體運動行為（圖4G,H,I）。將該凝膠應(yīng)變傳感器貼合于人體關(guān)節(jié)，能夠靈敏感知這些關(guān)節(jié)所產(chǎn)生的運動。綜上，這種基于抗凍導(dǎo)電性水凝膠的應(yīng)變傳感器在可穿戴設(shè)備領(lǐng)域的應(yīng)用顯示出較大潛力，它可用作柔性電子產(chǎn)品或軟機(jī)器人以實時監(jiān)測彎曲和拉伸信號，反映低溫下的個人醫(yī)療狀況。
該研究成果以“Functionalizing Double-Network Hydrogels for Applications in Remote Actuation and in Low-Temperature Strain Sensing”為題，近期發(fā)表于美國化學(xué)學(xué)會(ACS)旗下期刊ACS Applied Materials & Interfaces（2020，DOI: 10.1021/acsami.0c10430），論文共同第一作者為福州大學(xué)石油化工學(xué)院張進(jìn)副教授和碩士生曾亮丹。通訊作者為哈佛大學(xué)醫(yī)學(xué)院Yu Shrike Zhang教授和福州大學(xué)化學(xué)學(xué)院楊黃浩教授。
該工作得到國家自然科學(xué)青年基金、福建省自然科學(xué)基金、福建省教育廳中青年教師科研項目和高分子材料科學(xué)工程國家重點實驗室(四川大學(xué))開放課題項目的資助與支持。
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