不列颠哥伦比亚大学姜锋团队 Mater. Horiz.：基于糖类的多尺度氢键网络增强策略构筑超韧水凝胶

2024-12-19 来源：高分子科技

近年来，水凝胶凭借其独特的性能在多个领域备受关注，但其机械强度不足的问题始终是阻碍其广泛应用的一大难题。为解决这一问题，不列颠哥伦比亚大学Feng Jiang团队 (第一作者 Yuhang Ye) 创新性地提出了一种基于糖类材料的多尺度氢键增强策略，通过优化水凝胶的内部网络结构，有效提升其机械性能。这一方法的核心在于引入两种不同尺度的糖类材料——分子级的单糖（如葡萄糖）和纳米/微米级的多糖（如纤维素纳米纤维）。它们能够在水凝胶内部形成跨尺度的氢键网络，大大增强水凝胶的韧性。同时，这种增强的水凝胶还表现出优异的环境耐受能力和抗恶劣溶剂性能，即使在极端条件下也能稳定性能。例如，将水凝胶与乙醇交换后，得到的醇凝胶会因外力作用呈现出独特的鲜艳干涉色，非常适合用来制作力学-光学传感器。同时，这一策略不仅适用于多种材料体系，还展现出广阔的应用前景，比如可以作为生物电子接口用于记录生理信号。这一突破为未来开发更高质量、更耐用的水凝胶提供了新思路，也为可持续生物材料的创新应用开启了新的篇章。

2024年12月4日，该研究成果以“Toughening hydrogels through a multiscale hydrogen bonding network enabled by saccharides for a bio-machine interface? Check for updates”为题发表在期刊《Materials Horizons》（DOI:10.1039/D4MH01645A）。

图1. 概念设计与材料制备示意图 (a) 糖类材料的层级结构特征；(b) 常规水凝胶网络基于多尺度糖类的修复材料示意图。

图2. 糖类诱导修复策略的实验与理论验证。(a) PAM参考水凝胶及一系列改性水凝胶的FTIR光谱；(b) 不同水凝胶的1H NMR光谱；(c) 不同水凝胶在化学位移7.2-7.9 ppm处的放大1H NMR光谱；(d) 分子动力学模拟图，展示PAM、葡萄糖、CNF和水之间的分子间相互作用；(e) 不同体系中平均氢键数量的统计结果。

图3. 机械性能增强效果. (a) 不同水凝胶体系的典型应力-应变曲线；(b-e) 不同水凝胶体系的应力、拉伸率、断裂功和杨氏模量；(f) 数码照片展示不同水凝胶体系在刚度上的差异；(g) 将该策略与其他报道方法进行对比，基于增强因子和最大韧性列出三个具有代表性的示例，包括高功能度交联、双网络、纳米材料杂化以及材料模板化方法。

图4. 水状态表征及结合水诱导的环境适应性.(a) PAM和g-PAM/CNF水凝胶的DSC曲线；(b) PAM和g-PAM/CNF水凝胶的1H NMR光谱；(c) 各分子对的最优分子构型及其对应的结合能；(d-f) PAM和g-PAM/CNF水凝胶在环境条件下暴露24小时后的剩余重量、机械性能和离子电导率变化；(g-i) PAM和g-PAM/CNF水凝胶在冷冻干燥48小时后的剩余重量、机械性能和离子电导率变化。

图5. 恶劣溶剂抗性与构型变化诱导的干涉色 (a) 乙醇处理后的g-PAM/CNF和PAM醇凝胶的拉伸测试应力-应变曲线；(b) 乙醇处理后的g-PAM/CNF和PAM醇凝胶的拉伸率和断裂功；(c) 生成双折射引起的干涉色机制示意图； (d) 在偏振片下，g PAM/CNF醇凝胶随拉伸比变化的颜色变化（蓝色框表示未经处理的水凝胶，红色框表示醇凝胶）；(e) CIE色度坐标中的颜色光谱分布。

图6. 作为生物电子接口的应用展示。(a) 数码照片展示使用水凝胶作为界面后增强的肌电图（EMG）电极贴合性能； (b, c) 通过基于g-PAM/CNF水凝胶的电极记录的即时和12小时后的EMG脉冲信号；(d) 基于EMG信号分析的信噪比（SNR）值；(e, f) 使用PAM水凝胶电极即时和12小时后记录的心电图（ECG）脉冲信号； (g) 基于PAM电极的EMG信号分析的对应信噪比（SNR）值。

论文信息：https://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2025/mh/d4mh01645a

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（责任编辑：xu）

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