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械性能，包括高強度、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一步擴展為智能材料。
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，對水凝膠進行CaCl2處理后，在低溫下保持其優(yōu)異的機械強度和彈性，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?；谶@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械性能，包括強度、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)換為機械運動。
4. PAAm/SA/CNTs/CaCl2復(fù)合水凝膠的機械性能、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)境下的機械強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。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（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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