河北科大余旭东教授课题组 ACS AMI：基于聚合物纳米簇的超快自修复、高拉伸性、可逆粘附和透明水凝胶用于压力传感及环境治理

2022-12-16 来源：高分子科技

近二十年来，导电水凝胶由于其防组织性、生物相容性、抗冻性等优势而被开发并应用于可穿戴电子产品和生物传感器领域。迄今为止，制备集超快自修复、高度拉伸性、动态可逆粘附性、高生物相容性以及快速响应等特性于一体的水凝胶界面传感器仍是一个具有挑战性的工作。这些特性对于提升凝胶压力传感器的可操作性、实用性及耐用性至关重要。另一方面，近十年来，基于空间共轭作用的聚合物簇的聚集发光机制及光学应用受到了人们的广泛关注。然而，这些聚合物簇中杂原子（S, O, N等）间的偶极-偶极作用对于分子聚集体力学性能的影响研究并未受到关注。

近期，河北科技大学余旭东教授团队合成了一类新型的基于聚乙烯醇和氧化聚乙烯亚胺的双网络水凝胶体系。该研究基于聚乙烯亚胺氧化成簇的特性，通过引入一种简单的DCBS超分子交联剂，发展了一种原位氧化的方法制备了首个基于聚合物纳米簇的双网络水凝胶界面传感器（图1）。该水凝胶具有良好的透明性（>90%，500-800 nm）和高的导电性（1.3 S/m），可在1秒内实现快速自修复并可拉伸，其在60s内的修复效率高达98%，拉伸增长率高达7000%；它对压力的响应时间和回复时间均在120毫秒以内。研究发现这些优异的性能源于PVA和ohPEI双网络水凝胶中四种动态可逆的作用：硼酸酯共价键、氢键作用、正负电荷作用以及聚合物纳米簇中杂原子间的偶极-偶极相互作用。这些作用同时可以使水凝胶可逆地粘附在皮肤、木材和塑料等表面，并对皮肤没有过敏性伤害。细胞毒性实验发现该水凝胶基质可极大的促进小鼠纤维细胞的繁殖，7天内细胞活力达到682%，证实了该类水凝胶具备良好的生物相容性。同时，研究发现聚合物簇的形成是成胶必不可少的驱动力，验证了聚合物簇中杂原子间的偶极-偶极作用对于水凝胶组装的重要性，同时，聚合物簇的形成可提升该聚集体的导电性及自修复能力。

图1 水凝胶的制备过程及物理、化学组装体结构示意图

作为应用，该水凝胶可用于在线、实时监测人体大幅度运动（如膝盖弯曲、手指弯曲和手腕弯曲等）、轻微运动（如说话、微笑、皱眉等）以及生理活动（如心跳、脉搏等），表现出稳定、快速的电信号输出（图2）；同时，基于ohPEI的双网络水凝胶还可以用于丙酮等VOC的相选择性吸附分离，对丙酮的吸附分离效果高达4.5g/g。结合上一个VOC相选择性分离吸附的工作(J. Mater. Chem. A, 2022, 10,7941)，本工作对其吸附机理进行了初步的探讨。该工作以“Ultrafast Self-Healing, Highly Stretchable, Adhesive, and Transparent Hydrogel by Polymer Cluster Enhanced Double Networks for Both Strain Sensors and Environmental Remediation Application” 为题发表在ACS Appl. Mater. Interfaces上。文章的第一作者为硕士生候文硕，该项目得到了国家自然基金面上项目、河北省杰青/优青/百名优秀创新人才支持计划及河北省青年拔尖人才等项目的支持。

图2 水凝胶用于人体运动传感监测

近年来，余旭东教授课题组将超分子聚集体引入到聚合物或生物大分子网络中，取得了一系列研究进展：制备了基于无机纳米簇-吡啶鎓盐的有机凝胶（Chem. Commun. 2020, 56, 2439），类吡啶鎓盐的超分子自由基水凝胶（ACS Appl. Mater. Interfaces, 2019, 11, 19605），基于动态配位作用的纳米复合凝胶和超分子聚合物凝胶等（J. Mater. Chem. A, 2022, 10, 7941；ACS Appl. Mater. Interfaces, 2021, 13, 40079；Mater Design 2021, 205, 109744；Inorg. Chem. 2020, 59, 3974；Nanoscale, 2019, 11, 4044-4052；J. Colliod. Interface. Sci., 2019, 540, 134；J. Rare. Earth. 2020, 38, 705），并探索了这些凝胶在VOC吸附、信息加密-解密、传感和相分离等领域的应用。

原文链接：https://doi.org/10.1021/acsami.2c17773

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（责任编辑：xu）

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