西安交通大学柔性材料与器件课题组在新型多功能柔性凝胶材料的设计及结构性能调控领域取得系列进展。

作为典型的柔性材料，凝胶材料因具有良好的粘弹性，透明性，生物相容性以及与人体软组织类似的结构和性能而在细胞治疗，生物传感器，组织工程等生物医学领域以及柔性电子和柔性机器等工程技术领域具有重要科学意义和广阔的应用前景。由于其特殊的使用要求，需对其力学性能、生物相容性、功能化等进行设计调控，以满足在不同领域中的需求。

西安交通大学陈咏梅课题组近年来逐步建立了一系列成熟的多功能凝胶材料合成及结构组成调控的技术方法，并且围绕自愈合性能、磁性能、发光性能、导电性能，高机械性能，开发了一系列多功能凝胶材料，并展示了其在三维细胞包埋、磁性导管、柔性透明可拉伸导线和柔性器件等方面的优异性能，为生物医学研究的和柔性机器发展提供了新手段和新技术。

1.     可在生理环境中自愈合的多糖水凝胶

作为一种新型智能材料，自愈合凝胶在解决软材料损伤修复问题，实现柔性材料智能化和高效化具有重要意义。陈咏梅课题组研制了基于天然多糖的可在生理条件下自愈合，并且具有良好细胞相容性的新型自愈合水凝胶材料。这些具有优异性能的水凝胶材料有望作为细胞或药物载体应用于生物医学领域。设计了一种含有酰腙键和亚胺键两种动态共价化学键的多糖基自愈合水凝胶材料。合成了基于动态共价化学的多糖基自愈合水凝胶，该水凝胶中主要含有酰腙键和亚胺键两种动态共价化学键，是通过己二酰肼（adipic acid dihydrazide， ADH）交联氧化海藻酸钠（oxidized sodium alginate， OSA）生成可逆酰腙键，同时通过氧化海藻酸钠交联水溶性壳聚糖（N-carboxyethyl chitosan ，CEC）得到可逆亚胺键来制备，称为CEC-l-OSA-l-ADH 水凝胶 (“l” 表示 “交联”)。该水凝胶在生理条件下具有较高的自愈合效率，值得一提的是该水凝胶还有可注射性能， 并且具有三维包埋和释放活体细胞的功能（Adv. Funct. Mater. 2015, 25(9):1352–1359封底论文）。提出了一种基于可逆迪尔斯-阿尔德（DA）反应的天然多糖自愈合水凝胶的合成制备方法，以修饰有富烯基团的葡聚糖（fulvene-modified dextran，Dex-FE）为双烯体，二氯马来酸修饰的聚乙二醇（分子量2000）（PEG- dichloromaleic anhydride，PEG-DiCMA）为亲双烯体制备了自愈合水凝胶材料。研制出了可在生理条件下自愈合，并且具有良好细胞相容性的葡聚糖自愈合水凝胶，Dex-FE与PEG-DiCMA在37°C下，pH 7.0的磷酸盐缓冲溶液（PBS）中发生可逆DA反应交联制备得到葡聚糖自愈合Dex-l-PEG水凝胶。并首次采用电化学显微镜对水凝胶自愈合过程进行了三维实时监测（Macromol. Rapid Comm. 2013, 34 (18): 1464–1470）。并受邀在化学领域权威综述刊物Chem. Soc. Rev. （2014, 43 (23): 8114 – 8131）上发表了自愈合凝胶材料的设计合成及其在生物医学和工程技术领域的综述，展望了未来发展方向。

2.     高强度水凝胶材料

传统高分子水凝胶材料因力学性能低而难以实现其实际应用。高强度水凝胶材料的设计对大幅度提高水凝胶力学性能以及推动功能水凝胶材料在生物材料和柔性器件中的应用意义重大。陈咏梅课题组制备了不同离子交联的复合高强度水凝胶材料，并在此设计思路上制备了具有抗撕裂功能的高强度磁性水凝胶材料。 通过简便的两部法制备得到具有高度可拉伸性能的高强度海藻酸钠（alginate）/聚丙烯酰胺（PAAm）复合水凝胶。第一步自由基聚合丙烯酰胺，得到Na-alginate /PAAm水凝胶，该水凝胶中聚丙烯酰胺通过共价键低密度交联，未交联的海藻酸钠贯穿于聚丙烯酰胺网络中；第二部将Na-alginate/PAAm水凝胶分别在含有不同二价离子（CaCl₂, SrCl₂, BaCl₂）和三价离子（AlCl₃, Fe(NO₃)₃）的盐水溶液中浸泡，二价或三价阳离子扩散进入Na-alginate/PAAm水凝胶中，并通过与海藻酸钠的羧酸根（COO-）发生静电作用，交联海藻酸钠高分子链，制备得到由不同二价或三价阳离子交联的alginate/PAAm复合水凝胶（图 3）。拉伸测试表明Al-alginate/PAAm水凝胶和Fe-alginate/PAAm水凝胶的断裂应力分别高达939.1±47.6kPa和942.5±22.0kPa, 模量分别为169.0±20.0 kPa和252.2±34.0 kPa，能量耗散分别高达2159.4±155.2kJ×m^?3和2107.1±73.2 kJ×m^?3。此外，该水凝胶薄片可以吹成一个大气球， 60秒时其面积变化为760％，进一步证实了其优异的力学性能和伸缩性能（图 3）（ACS Appl. Mater. Interfaces  2013，5(21):10418-10422）。

3.     抗撕裂性能的高强度磁性水凝胶材料

 针对目前大部分磁性水凝胶的机械性能差，不能满足荷载承力柔性材料需求的现状，陈咏梅课题组首次设计制备了具有抗撕裂性能的高强度磁性水凝胶材料。在高强度海藻酸盐/聚丙烯酰胺水凝胶中适量均匀掺杂经海藻酸修饰的磁性Fe₃O₄纳米粒子，发现水凝胶不但具有良好的磁响应性能，而且具有良好的力学性能和抗撕裂性能，压缩强度可高达~5MPa，拉伸强度可高达~1MPa，且拉伸长度可达~10倍，打结、弯曲该磁性水凝胶也能保持其良好的状态（图4），断裂能高达~1600 - 3000 J m^-2。即使带有预切口的水凝胶材料，拉伸长度也可达8.8倍（图6）。进一步展示了高强度磁性水凝胶作为悬臂梁弯曲致动器和磁性微创医疗导管材料的初步应用。该研究结果为在赋予水凝胶磁响应性的同时保证水凝胶的高力学性能，拓展磁性水凝胶材料的应用领域奠定了基础。

4.     水凝胶调控纳米晶体结构

 模拟趋磁细菌磁小体囊泡内合成Fe₃O₄纳米晶体的微环境，首次实现在水凝胶内通过简单温和的共沉淀反应原位制备系列形貌可控Fe₃O₄纳米粒子，赋予该复合水凝胶良好的磁性能及过氧化氢催化能力，使其可应用于检测微量的过氧化氢，为新型多功能磁性医疗导管材料研究奠定基础；以及作为新型高效污水处理材料实现阳离子型染料的快速处理。相关研究内容授权国家发明专利2项（授权专利号：ZL 201110207305.6，ZL 201210112777.8），论文发表于最有学术影响力的国际期刊Green Chem. 2014, 16:1255-1261 （IF₂₀₁₄= 8.506）；ChemPhysChem, 2016, in Press (DOI: 10.1002/cphc.201600117).

  针对水热法、高温分解法等方法虽可制备形貌可控的Fe₃O₄纳米粒子，但因使用有毒试剂和有机溶剂易对环境造成很大污染，且需要高温高压等苛刻反应条件，不利于产物大规模制备以及在生物医学环境等领域中的应用等问题，陈咏梅课题组受趋磁细菌能够利用其磁小体囊泡内带负电荷的蛋白质作为富集吸附铁离子的位点并将磁小体囊泡作为微反应器，在其体内原位合成出形貌高度可控的磁性纳米粒子的启发下，以水凝胶作为模拟趋磁细菌中合成Fe₃O₄纳米晶体的微环境，首次实现了通过简单温和的共沉淀反应在水凝胶体系中原位制备得到负载一系列规则形貌的Fe₃O₄纳米粒子的磁性水凝胶，并发现了水凝胶内部微环境调控Fe₃O₄纳米粒子晶体生长的机理。该制备过程采用无毒性的试剂以及廉价的Fe²⁺与Fe³⁺作为前驱体，操作简单，避免了引入表面活性剂等影响生物材料细胞相容性成分。SEM图像中可以清楚地观察到水凝胶内原位生成的Fe₃O₄纳米粒子可具有规则的八面体，纳米棒及纳米针等形貌，高分辨TEM图像可清楚的观察到单个典型的Fe₃O₄纳米粒子的几何结构，分别为表面暴露{111}晶面的Fe₃O₄纳米八面体以及沿着[211]晶向生长的Fe₃O₄纳米棒及纳米针（图7）。此外，负载了Fe₃O₄纳米粒子的复合水凝胶中仍然具有良好的拟过氧化物酶活性，不仅可用于检测微量的过氧化氢，而且可作为新型高效污水处理材料实现阳离子型染料的快速处理。

5.     发光水凝胶

 研发了基于铱金属配合物和镧系元素的新型发光水凝胶材料，并具有良好的细胞相容性、稳定性和高力学性能。相关研究论文已被最有学术影响力的国际期刊 Macromol. Rapid Commun. （I区，IF₂₀₁₄=4.608）2012, 33, 1191?1196 作为封面论文（ cover paper）发表，另外一篇论文已通过Macromol. Rapid Commun.审稿修改（marc.201400630, minor revision）。授权国家发明专利1项（授权号：ZL20111 0191706.7）。

光致发光凝胶材料已经成为应用于生物成像、药物输送、传感器、光开关和传感器等许多领域的新型柔性材料。我们将铱金属配合物和镧系元素引入水凝胶材料中，制备出具有优良发光性能和细胞相容性的发光水凝胶材料。

（1）提出了一种基于铱金属配合物的发光高分子水凝胶的制备方法，制备得到具有良好细胞相容性的新型发光水凝胶

我们通过简便的扩散法制备得到基于阳离子型铱金属配合物[Ir(ppy)₂(dmbpy)]Cl和带负电荷的水凝胶新型发光水凝胶。带负电荷的水凝胶与带正电荷的 [Ir(ppy)₂(dmbpy)]Cl与之间强的静电相互作用促进了磷光分子在水凝胶网络中的扩散，并形成了稳定的复合物，即使在水中浸泡9个月水凝胶也具有良好的发光性能（图8）。该复合发光水凝胶的制备则具备以下优势：（1）制备过程相对简便；（2）水凝胶和发光材料组合具有多样性；（3）发光材料的分子结构和性能在水凝胶网络中得到保存，使发光材料的发光性能实现最大化。

（2）设计制备了基于镧系元素的高强度发光水凝胶材料，具有良好的发光性能，其颜色可以通过采用不同的镧系元素而调节，并可以根据实际应用需要制备成不同的形状，可承受较大力学变形。

    传统的发光水凝胶的因机械性能较低而严重限制了其应用范围。针对该问题，我们设计了高力学性能的发光水凝胶，镧系元素-海藻酸钠/聚丙烯酰胺复合水凝胶材料。其中稀土离子作为发光元素和物理交联剂引入到海藻酸钠/聚丙烯酰胺复合水凝胶中。该水凝胶具有多功能的优点，良好的光致发光性能，可调谐发光颜色（图9），良好的加工性能和细胞相容性，兆帕级压缩强度、约20倍拉伸变形及高能量耗散（~10⁴ kJ m^?3）。该光致发光的水凝胶有扩大使用范围广阔的水凝胶。

6. 首次发现水凝胶材料水凝胶弹性模量具有显著影响细胞的ROS性能。相关研究内容论文发表于J. Biomed. Mater. Res. A 2014102A: 2258–2267 （II区，IF₂₀₁₄=2.841），授权国家发明专利1项（授权号：ZL201110191554.0）。

为了解决人体视网膜色素上皮细胞（retinal pigment epithelium, RPE）在体外培养时易于老化的问题，我们开展了在高分子水凝胶支架表面培养RPE细胞，并研究了水凝胶性能对RPE细胞氧化应激性能的影响。发现带负电荷的水凝胶可以促进ARPE-19细胞扩增，并通过对细胞核和细胞骨架蛋白actin的染色表明细胞扩增生长为密集的细胞单层膜，然而ARPE-19细胞不能在中性poly (N, N-dimethylacrylamide) (PDMAAm)表面扩增。通过测定不同弹性模量的水凝胶表面培养的ARPE-19细胞膜的活性氧簇( reactive oxygen species, ROS)发现，水凝胶的弹性模量显著影响细胞的ROS。当水凝胶的弹性模量5.0 kPa 和24.05.0 kPa时，比在组织培养板表面培养的细胞的ROS分别低44％和50％， 然而当水凝胶的弹性模量为169.3 kPa时，与在组织培养板表面培养的细胞的ROS没有显着性差异。可以推测软的水凝胶为ARPE-19细胞提供了更类似于其在体内的生长微环境，有助于细胞增强其固有的抗氧化防御功能。基于上述研究基础我们提出：作为组织工程用细胞培养支架材料，仅仅能促进细胞的生长还远远不够，只有在其上培养的细胞具备与生体细胞同样功能的材料，才具有组织工程应用价值的学术观点。

7. 制备了同时具有良好拉伸性能、低弹性模量、良好导电性、高透明度、热稳定性于一体的凝胶导电材料，并测定了其作为介电弹性体驱动器材料的性能。相关工作论文发表在最有学术影响力的国际期刊 ACS Appl. Mater. Interfaces  2014, 6：7840?7845 （I区，IF₂₀₁₄= 5.900），申请国家发明专利1项（申请号：201410024886）。

在新型功能离子液体凝胶材料的设计制备方面，关注高拉伸性能柔性离子导电材料的研究，为可以任意弯曲，拉伸、压缩，扭曲的柔性电子（flexible electronics）器件在变形为复杂的、非平面形状的同时，保持良好的使用性能，可靠性和集成性提供关键技术储备。我们成功制备了同时具有良好导电性能、高拉伸性能、透明度高、并且电阻不随应变而变化的离子液体凝胶。该离子液体凝胶具有较好的导电性(0.22 S m^?1)，低模量(~3kPa)，高的断裂伸长率(~4.6)，并在几百个大变形循环之后几乎无滞后和退化现象。用这种离子液体凝胶和介电弹性体，组装了电压驱动面积应变在140%的介电弹性体驱动器。该驱动器在干燥和潮湿的环境下任然可以稳定工作至少100万次。离子凝胶的透光性可以使其满足各种光学设备，如聚焦眼球，透明扬声器、噪音消声器，其不挥发性可以使驱动器在敞开的环境下工作。

8. 实现了水凝胶的器件化，利用植入水凝胶表层的树枝状银纳米结构作为可随外界压力变形的金属电极实现了双电层电容型水凝胶压力传感器的构建，首次提出及验证了压力作用导致水凝胶内树枝状银纳米结构分枝部分面积变化，引起沿树枝状银纳米结构外围轮廓分布的双电层电容变化的新机理；并首次实现了该水凝胶压力传感器在水下声波探测中的应用。相关工作论文发表在最有学术影响力的国际期刊 Nature Communications  accepted, （I区，IF₂₀₁₄= 11.329）。

柔性压力传感器作为未来可移动智能设备中不可或缺的关键性元件之一，在柔性显示屏，可穿戴设备，电子皮肤，生物监测等领域表现出巨大的应用前景。水凝胶材料因其具有良好的生物相容性，与人体组织器官相匹配的杨氏模量，与水环境相匹配的体积模量及在水下很小的声阻抗等优势而在柔性压力传感器及柔性水下声波探测器方面表现出巨大的潜力。我们首次设计制造了水凝胶压力传感器及基于此的水凝胶水下声波探测器。该水凝胶压力传感器水凝胶在空气中可对静压、气流等压力信号作出响应。与传统介电电容式压力传感器相比，水凝胶压力传感器由于利用双电层电容而具有显著增高的绝对灵敏度0.1 nF/kPa，同时也具有相当的相对灵敏度4.8 kPa^-1。利用其构建的水下声波探测器可对声波源信号的频率、振幅、方向等变化进行及时响应，对声波频率的最高响应极限可达2000赫兹，且与商用水听器相比在小于60赫兹时具有明显更强的响应能力（图11）。从而在超低频水声探测领域表现出巨大的应用前景。

图11水凝胶压力传感器用于水下声波测量，对声源信号不同频率、振幅及方向的响应。（a）基于水凝胶压力传感器所构建的水下声波探测装置示意图；（b）水凝胶声波探测器对不同频率（200、500、1000 Hz）水下声波的响应；（c）水凝胶声波探测器对100Hz声源信号不同振幅（100%、50%、10%）的响应；（d）水凝胶声波探测器对以不同角度入射的同一声源信号的响应；（e）在低频水声频率扫描下水凝胶声波探测样品与商用水听器的响应曲线。