近年来，柔性电子在可穿戴器件、能量存储、电子皮肤等领域得到了广泛的发展，水凝胶材料凭借其优异生物相容性及良好机械柔韧性，展示了无限潜能。然而，由于溶剂分子侵蚀作用，大部分水凝胶材料在水或油等液体环境下无法实现稳定应用。

图1 抗溶剂非溶胀水凝胶结构示意图

  针对这一问题，长春工业大学高光辉教授团队提出了构建亲疏水协同的分子网络抵抗溶剂侵蚀作用的策略，实现了水凝胶材料在水溶液和有机溶剂环境下的稳定性能。研究人员将亲水的丙烯酸和疏水的丙烯酸甲氧乙基脂在水和二甲基亚砜的混合溶液下聚合成胶，利用石墨烯作为导电媒介，成功地制备了抗溶剂非溶胀水凝胶。所制备的水凝胶实现了在水或油等多种溶剂下对各种运动的应变感知。当水凝胶在水溶液环境下，水分子会渗透进入凝胶内部置换体系的二甲基亚砜分子，诱导了体系内疏水分子的聚集，有效提高分子间内聚力并在凝胶表面形成紧密的疏水“保护层”。另一方面，水分子及亲水性组分也可以有效地抵抗有机溶剂分子的侵蚀作用。因此，该水凝凝胶展示出了优异的抗溶剂性能，扩宽了水凝胶在柔性电子领域的应用场景。本论文“Solvent-Resistant and Nonswellable Hydrogel Conductor toward Mechanical Perception in Diverse Liquid Media”发表在《ACS Nano》期刊上，第一作者为长春工业大学博士研究生刘鑫同学，唯一通讯作者为高光辉教授。

图2 水凝胶在不同溶剂环境下的应力感知

  近五年来，该研究团队一直致力于粘韧水凝胶材料的设计及其在医用敷料、柔性传感与能量存储等应用的研究，在《Advanced Functional Materials》、《ACS Nano》、《Chemical Engineer Journal》、《Journal of Materials Chemistry A》等期刊共计发表近80篇SCI研究论文。2017年首次提出核酸碱基增粘水凝胶新策略，实现了5种碱基增粘水凝胶材料及对各种固体基质和生物组织的高强度粘结，包括：金属、塑料、橡胶、硅胶、陶瓷、木头、以及小鼠的心、肝、脾、肺、肾等生物组织（Adv. Funct. Mater. 2017, 1703132）。在此基础之上，研究人员通过合理地设计聚合物的分子体系，成功地赋予了碱基增粘水凝胶材料优异的高强度粘性、抗疲劳粘性、水下粘性、以及各种溶剂环境下的对各种材料的抗溶剂粘性（Adv. Funct. Mater. 2019, 1900450; ACS Appl. Mater. Interfaces 2017, 9, 17645; Polym. Chem., 2018, 9, 4535; ACS Appl. Mater. Interfaces 2019, 11, 6644）。为了进一步拓展研究体系，该研究团队将核苷酸、氨基酸、蛋白质、多糖等系列分子引入到水凝胶材料中，成功地赋予其优异的粘韧性能（J. Mater. Chem. A, 2020, 8, 9373; Chem. Eng. J. 2020, 398, 125555; Chem. Eng. J. 2019, 375, 121915; Chem. Mater. 2019, 31, 5881; ACS Appl. Mater. Interfaces 2019, 11, 25613）。

图3 水下粘性展示及抗溶剂粘性性能

  同时，该研究团队尝试将一系列水凝胶材料作为应变传感器件应用到人体可穿戴和应变感知等领域，成功实现了其对人体活动快速精准监测，包括细微的发声、呼吸和大尺度的关节弯曲以及走路、跳跃等运动的感知（Chem. Eng. J. 2020, 394, 124898; J. Mater. Chem. A, 2020, 8, 4515; J. Mater. Chem. A, 2019, 7, 25441; Chem. Mater. 2019, 31, 9522; ACS Appl. Mater. Interfaces 2019, 11, 28336）。

图4 多体系粘韧水凝胶的应变传感

  原文链接：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsnano.0c05932

  课题组网站：www.ghgao.polymer.cn