非晶聚合物水凝胶因其优异的柔性、伸展性和生物相容性，在柔性电子、可穿戴设备、仿生器件以及组织工程等领域具有巨大的应用潜力。然而，在实际应用中，复杂的应力条件（如较大形变、循环加载以及与异质材料的接触）对其综合性能提出了更高要求。材料需要具备高机械强度、韧性以及能量耗散能力，以抵抗疲劳损伤，同时还需要稳定的界面黏附性能，以确保其在器件或组织界面上的长期工作。传统增强策略难以同时满足这些要求，尤其在解决“刚性与韧性”固有矛盾时面临困难。其中仅由短链交联的水凝胶交联点间距较短，具有较高模量，但脆性较大，容易在小变形下断裂。而长链水凝胶具有较大的交联点间距，表现出优异的能量耗散能力，但强度较低。简单地将长链和短链交织，只能形成基础的物理连接；其能量耗散依赖于长链的不受限滑移，这可能导致结构不稳定，从而限制强度和韧性的协同提升。

  近日，西南林业大学杜官本教授、杨龙研究员团队提出了一种通过碳点桥接效应实现长链与短链交织构筑非晶聚合物水凝胶的新策略。通过3,4-二羟基苯甲醛与明胶的水热反应获得了碳点接枝的明胶短链（DGC）。碳点与聚丙烯酰胺（PAM）长链通过氢键形成柔性区域，而碳点与明胶短链通过席夫碱键形成刚性区域。在受力作用下，氢键可被破坏，使柔性区域得以解缠和滑移；而刚性区域则能够有效抑制无限制的滑移。所制备的 DGC/PAM 水凝胶表现出高模量、高断裂韧性以及稳定的界面黏附性能，机械性能显著增强，拉伸强度达 470 kPa、韧性为 4.9 MJ·m^-3、断裂伸长率达2200%，界面黏附强度达 160 kPa。该设计策略为同时提升非晶聚合物体系的内聚力和界面黏附力提供了一种简便有效的途径。

  2025年11月29日，相关成果以“Carbon Dot Bridging Effect Enables the Interweaving of Long- and Short-Chain Polymers for Enhanced Hydrogel Performance”为题发表在国际期刊Advanced Functional Materials上。

图1. 通过碳点桥接效应交织长链和短链设计的DGC/PAM水凝胶。a) DGC/PAM水凝胶的增强机理图；b) DGC/PAM水凝胶作为紧密附着传感器。

图2. DGC和DGC/PAM水凝胶的表征。a) DGC在水溶液中的TEM图像；b) D-CDs的HRTEM图像及相应的晶格间距；c) DGC的粒径分布；d) DGC的XRD图谱；e) DGC的拉曼光谱；f) 明胶碳化前后的GPC曲线；g) 明胶碳化前后的重量平均分子量（Mw）；h) PAM水凝胶的横截面SEM图像；i) DG/PAM水凝胶的横截面SEM图像；j) DGC/PAM水凝胶的横截面SEM图像；k) DG/PAM和DGC/PAM水凝胶的DSC曲线；l) DG/PAM和DGC/PAM水凝胶的低场NMR（LF-NMR）；m) DG/PAM和DGC/PAM水凝胶的自旋-自旋弛豫时间（T₂）；n) PAM、DG/PAM和DGC/PAM水凝胶的拉曼光谱。

  图2展示了DGC和DGC/PAM水凝胶的表征。透射电子显微镜（TEM）结果显示，水热处理后的DGC碳材料在水溶液中均匀分散，具有0.23 nm的晶格间。粒径分布统计和DLS结果一致，DGC粒径主要在8-24 nm之间，zeta电位为+23.1 mV，显示其在丙烯酰胺溶液中分散良好。X射线衍射（XRD）和拉曼光谱进一步确认了DGC的碳结构及其缺陷位点。GPC分析表明，水热处理过程中明胶降解生成短链，FTIR和XPS结果则表明DGC表面富含亲水性和界面活性的功能基团，并与明胶短链发生桥接反应。微观结构上，DGC/PAM水凝胶呈现均匀的亚微米级孔隙，增强了水凝胶的强度和韧性。分子层面，FTIR、DSC和低场NMR分析显示，DGC调节了水凝胶的氢键网络，增强了氢键强度，降低了冰点，并增加了结合水的比例，进一步提高了水凝胶的宏观机械性能。

图3. DGC/PAM水凝胶的机械性能和增韧机制。a) DGC/PAM水凝胶抗裂纹扩展机制示意图；b) 不同DGC含量水凝胶的应力-应变曲；c) 不同DGC含量水凝胶的杨氏模量和韧性；d) 显示DGC/PAM水凝胶和PAM水凝胶抗裂性的数字照片；e) PAM、DG/PAM、D-CDs/PAM、G/PAM和DGC/PAM水凝胶的应力-应变曲线；f) 这些水凝胶的杨氏模量和韧性；g和h) 不同DGC含量（0wt%、0.35wt%、0.45wt%、0.55wt%）DGC/PAM水凝胶在70%应变下的压缩强度曲线；i) 水凝胶在50%应变下经历3000个循环的压缩循环曲线；j) 水凝胶在200%应变下经历1700个循环的拉伸循环曲线。值表示均值和标准偏差（n=3）。

  图3展示了DGC/PAM水凝胶的机械性能及其增强机制。水凝胶网络由长链PAM和短链明胶通过生物质衍生的碳点（CDs）协同交联构成，碳点作为“桥接”节点，通过氢键和动态席夫碱交联促进长短链间的相互缠结，形成刚性与柔性相结合的交织网络。在拉伸加载下，PAM链延伸，明胶链提供刚性支撑，氢键的断裂与重构为能量耗散提供路径。裂纹扩展测试显示，DGC/PAM水凝胶相较于PAM水凝胶显著降低了裂纹敏感性，主要得益于碳化增强的刚性-柔性协同网络，抑制了裂纹扩展，提升了整体机械性能。DGC/PAM水凝胶在0.45wt% DGC含量时表现出最佳性能，拉伸强度为470 kPa，韧性为4.94 MJ·m^-3。DGC通过桥接作用有效传递和分散负载，增强了水凝胶的断裂强度和应变能力。过高DGC含量则导致缺陷增加，降低了拉伸强度。相比于PAM水凝胶，DGC/PAM水凝胶的拉伸强度提高了198%，韧性提高了506%。抗疲劳测试表明，DGC/PAM水凝胶具有优异的疲劳耐受性，适用于电子皮肤和柔性传感器。DGC还在其他聚合物体系中增强了机械强度，证明了碳点桥接效应在水凝胶中的广泛适用性。

图4. 黏附性能和机制。a) DGC/PAM水凝胶的黏附增强机制；b) DGC/PAM水凝胶在不同基材和组织上的黏附表现；c) 0.15wt%-0.55wt% DGC/PAM水凝胶在玻璃基材上的黏附强度；d) PAM、DG/PAM、D-CDs/PAM和DGC/PAM水凝胶在玻璃基材上的黏附强度；e) PAM水凝胶、DG/PAM水凝胶和DGC/PAM水凝胶在木材、铜、玻璃、钢、PTFE和猪皮上的黏附强度；f) DG/PAM水凝胶和DGC/PAM水凝胶在玻璃基材上黏附强度随时间变化；g) DG/PAM水凝胶和DGC/PAM水凝胶在玻璃基材上黏附强度随空气湿度变化；h) pH对DG/PAM水凝胶和DGC/PAM水凝胶在玻璃基材上黏附强度的影响；i) 环境温度对DGC/PAM水凝胶在玻璃基材上黏附强度的影响；j) DGC/PAM水凝胶与文献中其他基于PAM的水凝胶在玻璃基材上的黏附强度比较。值表示均值和标准偏差（n=3）。

  图4展示了DGC/PAM水凝胶的多模态界面黏附机制，包括儿茶酚介导的配位作用、可逆氢键网络和静电相互作用（图4a），使其在多种基材上具有可靠的附着力。在玻璃的lap-shear测试中，DGC/PAM的黏附强度超过160 kPa，是原始PAM的十倍，显著优于小分子碳点水凝胶或未碳化前体水凝胶（图4b-4d）。该水凝胶能够黏附500g负载且没有界面剥离，并表现出良好的生物相容性。DGC的最佳含量为0.45 wt%，此时界面黏附强度最强，超过PAM、D-CDs/PAM和DG/PAM（图4c）。0.45 wt%的DGC/PAM水凝胶在猪皮、铜、PTFE和玻璃等多个基材上均表现出较高的黏附性（图4e）。界面强度随着时间逐渐增强，在高湿、酸性和碱性条件下仍能保持一定黏附力，且在不同温度下仍能附着（图4f-4i）。DGC/PAM水凝胶中的桥接效应有效提高了界面结合能和基体能量耗散，克服了传统的黏附–内聚权衡，适用于可穿戴电子设备和柔性传感器，且DGC在其他非晶聚合物体系中也表现出增强的黏附力。

图5. 传感性能。a) DGC/PAM水凝胶在300%应变范围内的灵敏度因子；b) 0.15wt%-0.55wt%DGC/PAM水凝胶的Nyquist图；c) 0.15wt%-0.55wt%DGC/PAM水凝胶的导电性；d) 不同湿度下DGC/PAM水凝胶的Nyquist图；e) 不同湿度下DGC/PAM水凝胶的导电性；f) DGC/PAM水凝胶在不同应变下循环过程中的相对电阻变化；g) DGC/PAM水凝胶作为柔性传感器检测喉部吞咽动作；h) 眨眼动作；i) 脉搏跳动；j) DGC/PAM水凝胶在100%应变下经历1100个循环时的实时电阻变化。值表示均值和标准偏差（n=3）。

  图5评估了DGC/PAM水凝胶的应变灵敏度和传感性能。水凝胶在低应变下的灵敏度因子（GF）约为1.34，在高应变下为1.70（图5a）。0.45wt%的DGC含量提供了最佳电荷传输性能，同时改善了拉伸性（图5b、5c）。湿度依赖性测试显示，电导率在75%相对湿度下达到最大值（0.22 S·m^-1），过高的湿度则降低电导率（图5d、5e）。应变传感测试表明，DGC/PAM水凝胶在100%到400%应变范围内表现出稳定的传感信号，并且在卸载后能恢复（图5f）。该水凝胶能够实时监测吞咽、眼睑运动、脉搏和手指弯曲等生理信号（图5g-5i），并在1200次加载-卸载循环后仍保持稳定性能（图5j）。与其他水凝胶相比，DGC/PAM展示了优越的柔性传感器性能。

  原文链接：https://advanced.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.202524953