川师大赵丽娟教授、王义副教授 Mater. Horiz.：通过协同氢键和偶极-偶极交联构建超高拉伸、自恢复、自愈合且粘附性水凝胶

2025-01-10 来源：高分子科技

水凝胶因其在可穿戴电子设备、人造皮肤及生物医学工程等新兴领域的潜在应用前景备受关注。然而，水凝胶有限的拉伸性、自恢复性和抗裂性，严重制约了其在苛刻环境中的实际应用。尽管采用胶束交联、纳米填料以及动态相互作用等方法在性能提升方面取得了一定进展，但如何制备同时具备高拉伸性、自愈性和强粘附性的水凝胶仍然是一个挑战。

近期，四川师范大学赵丽娟教授、王义副教授团队在Materials Horizons上发表了题为“Ultra-stretchable, self-recoverable, notch-insensitive, self-healable and adhesive hydrogel enabled by synergetic hydrogen and dipole–dipole crosslinking”的研究论文。研究提出了一种基于丙烯酰胺（AM）、马来酸（MA）和丙烯腈（AN）的AMA水凝胶网络，通过动态物理交联实现了超高拉伸性、自恢复性、缺口不敏感性、自愈合性和粘附性等优异性能（见Scheme 1）。

与传统依赖不可逆共价键的化学交联水凝胶不同，该AMA水凝胶网络利用高度动态的偶极-偶极相互作用和较低动态的氢键交联，形成了一个既坚韧又高度可拉伸的网络结构。偶极-偶极相互作用与氢键的不同弛豫时间，使这些交联键在拉伸应力作用下能够依次断裂并重组，伴随着聚合物链的延展与断裂，从而实现逐级变形。即使在超过9000%的拉伸应变下，水凝胶仍表现出卓越的弹性与自回复性。这种优异的拉伸性和韧性在物理交联水凝胶中极为罕见，同时显著提升了材料的抗裂能力（断裂能＞10 kJ/m2）。此外，AMA水凝胶还展现出良好的自愈合性能，得益于其动态交联网络的可逆性。MA和AN基团的引入进一步增强了其粘附性能，使其可牢固附着于玻璃、金属、塑料、橡胶和猪皮等多种基底。通过引入LiCl，水凝胶还具备导电能力，成为可穿戴应变传感器的理想候选材料，可实现对人体运动的精准检测。该研究通过协同氢键和偶极-偶极相互作用，在单一水凝胶网络中实现了机械性能和功能性能的突破性结合，为开发高拉伸、高耐久性的下一代水凝胶材料开辟了新途径。其成果为柔性电子设备、生物医学工程和健康监测等领域的创新应用提供了重要理论与实践支撑，展示了广阔的应用前景。