弹性体材料作为兼具高强度、高刚度、高韧性、高环境稳定性和高导电性的多功能材料，在软机器人、人造肌肉及软离子电子器件等领域展现出巨大潜力。然而，这些互斥特性的整合仍是根本性挑战。近年来，通过分子与结构工程结合合成化学的仿生设计，以及3D打印、定向冻结、电/磁场驱动相分离等先进制造技术的应用，为突破这一瓶颈提供了新路径。然而，如何通过简便、低能耗的方法实现复杂有序结构的复制仍是当前研究的难点。

  近日，广西大学徐传辉教授课题组模仿双子叶植物叶片的层次网络结构，开发了一种拥有双模式协同呼吸监测功能的叶脉仿生弹性体。该合成叶片系统通过精确的结构-功能对应，集成了四个仿生组件:首先，CMCS在叶脉中模拟天然纤维素的(1→4)-糖苷键结构，提供机械支撑和离子运输；第二，由氧化铜纳米颗粒(CuO)原位生成Cu²⁺形成配位键，模拟木质素-纤维素交织网络，提高稳定性和机械强度；XSBR作为基质，模拟植物细胞的空间排列，提高弹性；最后，DES作为导电介质，模仿叶片汁液，以提高导电性和稳定性。通过自下而上的组装策略和简便低能耗的胶乳成膜方法，在构建隔离网络结构的同时进行调控，形成叶脉状的网络结构。该材料不仅实现 11.70 ± 0.34 MPa 的优异拉伸强度和 2.51×10^-2 S/m 离子导电性，还能通过吸湿拓宽离子通道、降低 DES 黏度。利用这种协同作用，叶片启发弹性体表现出卓越的湿度响应特性，实现了电压和电阻信号的双模式监测。

  该成果以题为“Leaf Hierarchical Venation Network-Mimetic Elastomer for Dual-Mode Synergistic Respiration Monitoring” 发表在《Advanced Functional Materials》上，2023级硕士研究生林子浩为第一作者，徐传辉教授为通讯作者。

1.叶子启发的基础单元设计

  双子叶植物的叶脉形成具有多尺度的层次结构，从宏观的网状脉形成到微观的维管束，再到纳米尺度的木质素和纤维素的组合。这种集成框架包括共价交联的木纤维素网络（通过C-O-C和C-C键）和纤维素分子之间的氢键相互作用，为材料设计提供了重要启示。受此启发，研究团队以XSBR为基体，CMCS在其中形成一体化的隔离网络结构，通过加入CuO原位生成铜离子交联XSBR和CMCS增强材料稳定性，并引入DES增强材料的导电性。密度泛函理论计算各组分间的结合能，结合能计算表明CMCS与XSBR之间的氢键结合能为-0.90 eV，而与Cu2?的配位键结合能高达-21.57 eV和-23.13 eV，确保材料的稳定性。

2.仿生脉络网络结构的演变过程

  研究团队通过SAXS和冷冻干燥TEM研究了仿生脉网的形成过程，将研究视角从空间形态扩展到时间维度。最后，该研究将分离网络的形成分为四个连续的阶段：

  阶段1(水蒸发)：乳胶颗粒表现出增加的有序性。XSBR-Cu²⁺络合物吸附在颗粒表面，形成由氢键和离子相互作用稳定的壳状结构，引发颗粒聚集。

  阶段2(颗粒排列)：毛细管力驱动颗粒排列成规则排列，形成由XSBR-Cu²⁺壳层分隔的多面体泡沫细胞。这些壳抑制聚结，维持柔韧性颗粒的边界和形状。

  阶段3(壳层选择性固定和变形)：当毛细力超过颗粒间斥力时，亲水层破裂，导致油-水(O/W)向油-水(W/O)相位反转。同时，亲油橡胶链将亲水壳压缩到颗粒间隙中，造成颗粒变形。

  阶段4(分子链扩散)：橡胶链通过壳间隙扩散，均质成基质。充分发育的网络表现出增强的机械性能。

3.仿生脉络网络结构的湿度响应行为

  天然植物的叶子表现出非凡的感知水分和利用环境能量的能力。由于这种生物启发叶脉隔离网络结构，弹性体表现出优异的水分响应性能。加入CMCS后，弹性体的水接触角从63.14°逐渐增大到73.79°，浸泡在DES后，弹性体的水接触角进一步增大到79.3°随着相对湿度的增加，传感器的ΔR/R₀呈线性下降趋势，ΔV/V₀呈线性上升趋势，电阻和电压变化均呈良好的线性相关(R₂ = 0.99)，电压响应R₂ = 0.97)。并且在各种形变下均能显示出稳定的信号输出。

4.仿生脉网络弹性体在双模监测中的应用

  该仿生弹性体模仿植物叶片的敏感吸湿结构，通过湿度介导的生物传感系统实现实时健康评估。由XCC-7.5E制备的传感器可以准确地识别人体呼吸频率，包括正常、快速和慢速的呼吸状态。柔性弹性体在四种变形状态下（扁平、扭曲、弯曲和打结）能准确地响应水分的变化。长达1800 s的监测过程中，实时准确地监测了人体在阅读和工作下产生的电阻和电压信号。

  该论文得到了国家自然科学基金（22175044）、广西自然基金重点项目（2023GXNSFDA026049）、广西重大人才计划的资助。

  文章链接：http://doi.org/10.1002/adfm.202519321