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不列顛哥倫比亞大學姜鋒團隊 Mater. Horiz.：基于糖類的多尺度氫鍵網絡增強策略構筑超韌水凝膠

2024-12-19 來源：高分子科技

近年來，水凝膠憑借其獨特的性能在多個領域備受關注，但其機械強度不足的問題始終是阻礙其廣泛應用的一大難題。為解決這一問題，不列顛哥倫比亞大學Feng Jiang團隊 (第一作者 Yuhang Ye) 創新性地提出了一種基于糖類材料的多尺度氫鍵增強策略，通過優化水凝膠的內部網絡結構，有效提升其機械性能。這一方法的核心在于引入兩種不同尺度的糖類材料——分子級的單糖（如葡萄糖）和納米/微米級的多糖（如纖維素納米纖維）。它們能夠在水凝膠內部形成跨尺度的氫鍵網絡，大大增強水凝膠的韌性。同時，這種增強的水凝膠還表現出優異的環境耐受能力和抗惡劣溶劑性能，即使在極端條件下也能穩定性能。例如，將水凝膠與乙醇交換后，得到的醇凝膠會因外力作用呈現出獨特的鮮艷干涉色，非常適合用來制作力學-光學傳感器。同時，這一策略不僅適用于多種材料體系，還展現出廣闊的應用前景，比如可以作為生物電子接口用于記錄生理信號。這一突破為未來開發更高質量、更耐用的水凝膠提供了新思路，也為可持續生物材料的創新應用開啟了新的篇章。

2024年12月4日，該研究成果以“Toughening hydrogels through a multiscale hydrogen bonding network enabled by saccharides for a bio-machine interface? Check for updates”為題發表在期刊《Materials Horizons》（DOI:10.1039/D4MH01645A）。

圖1. 概念設計與材料制備示意圖 (a) 糖類材料的層級結構特征；(b) 常規水凝膠網絡基于多尺度糖類的修復材料示意圖。

圖2. 糖類誘導修復策略的實驗與理論驗證。(a) PAM參考水凝膠及一系列改性水凝膠的FTIR光譜；(b) 不同水凝膠的1H NMR光譜；(c) 不同水凝膠在化學位移7.2-7.9 ppm處的放大1H NMR光譜；(d) 分子動力學模擬圖，展示PAM、葡萄糖、CNF和水之間的分子間相互作用；(e) 不同體系中平均氫鍵數量的統計結果。

圖3. 機械性能增強效果. (a) 不同水凝膠體系的典型應力-應變曲線；(b-e) 不同水凝膠體系的應力、拉伸率、斷裂功和楊氏模量；(f) 數碼照片展示不同水凝膠體系在剛度上的差異；(g) 將該策略與其他報道方法進行對比，基于增強因子和最大韌性列出三個具有代表性的示例，包括高功能度交聯、雙網絡、納米材料雜化以及材料模板化方法。

圖4. 水狀態表征及結合水誘導的環境適應性.(a) PAM和g-PAM/CNF水凝膠的DSC曲線；(b) PAM和g-PAM/CNF水凝膠的1H NMR光譜；(c) 各分子對的最優分子構型及其對應的結合能；(d-f) PAM和g-PAM/CNF水凝膠在環境條件下暴露24小時后的剩余重量、機械性能和離子電導率變化；(g-i) PAM和g-PAM/CNF水凝膠在冷凍干燥48小時后的剩余重量、機械性能和離子電導率變化。

圖5. 惡劣溶劑抗性與構型變化誘導的干涉色 (a) 乙醇處理后的g-PAM/CNF和PAM醇凝膠的拉伸測試應力-應變曲線；(b) 乙醇處理后的g-PAM/CNF和PAM醇凝膠的拉伸率和斷裂功；(c) 生成雙折射引起的干涉色機制示意圖； (d) 在偏振片下，g PAM/CNF醇凝膠隨拉伸比變化的顏色變化（藍色框表示未經處理的水凝膠，紅色框表示醇凝膠）；(e) CIE色度坐標中的顏色光譜分布。

圖6. 作為生物電子接口的應用展示。(a) 數碼照片展示使用水凝膠作為界面后增強的肌電圖（EMG）電極貼合性能； (b, c) 通過基于g-PAM/CNF水凝膠的電極記錄的即時和12小時后的EMG脈沖信號；(d) 基于EMG信號分析的信噪比（SNR）值；(e, f) 使用PAM水凝膠電極即時和12小時后記錄的心電圖（ECG）脈沖信號； (g) 基于PAM電極的EMG信號分析的對應信噪比（SNR）值。

論文信息：https://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2025/mh/d4mh01645a

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（責任編輯：xu）

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