近期，在Adv Mater，Adv Funct Mater，ACS Appl. Mater. Interfaces上報(bào)道了多篇水凝膠相關(guān)的工作，有些工作非常有意思，限于篇幅和小編知識面，這里只能選取部分高強(qiáng)度水凝膠方面的工作和大家分享。(在公眾號中輸入“水凝膠”查看更多內(nèi)容)

1.應(yīng)變響應(yīng)的高度可拉伸水凝膠光纖

哈佛醫(yī)學(xué)院的Seok-Hyun Yun課題組最近報(bào)道了一種高拉伸的、應(yīng)變響應(yīng)的水凝膠光纖，這種水凝膠光纖是由海藻酸/聚丙烯酰胺雜化凝膠為主要成份形成的核殼結(jié)構(gòu)水凝膠纖維，該纖維的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和制備方法如圖所示。所制備的水凝膠纖維具有良好的強(qiáng)度、形變能力和彈性，將這種核殼水凝膠纖維與普通的硅光纖結(jié)合，利用光在核和殼的折光指數(shù)的不同，就可以把它用于光傳導(dǎo)，研究發(fā)現(xiàn)傳播損耗只有0.45 dB/cm。另外，當(dāng)水凝膠纖維經(jīng)過染料染色，拉伸的時(shí)候光的衰減就會(huì)隨著拉伸程度的增加而增加。因此，這種水凝膠纖維還可以作為應(yīng)變傳感器。

參考文獻(xiàn)：Guo J J, Liu X Y, Jiang N, Yetisen A K, Yuk H, Yang C X, Khademhosseini A, Zhao X H, Yun S H*, Highly Stretchable, Strain Sensing Hydrogel Optical Fibers, Adv Mater, 2016, DOI:10.1002/adma.201603160.

2.基于超分子水凝膠的仿軟骨雙網(wǎng)絡(luò)水凝膠

南京大學(xué)物理學(xué)院的曹毅、蔣青和王煒教授合作報(bào)道了一種新型結(jié)構(gòu)的雜化雙網(wǎng)絡(luò)水凝膠（PS-DN凝膠），這種水凝膠以短肽形成的超分子凝膠為第一重網(wǎng)絡(luò)、以化學(xué)交聯(lián)聚丙烯酰胺（PAAm）為第二重網(wǎng)絡(luò)。短肽通過自組裝形成纖維狀的結(jié)構(gòu)，進(jìn)一步形成超分子凝膠，這種結(jié)構(gòu)與軟骨中膠原的結(jié)構(gòu)非常類似。PS-DN凝膠表現(xiàn)出良好的強(qiáng)度（0.32-0.57 MPa）、形變能力（66-90%）和韌性（300-2670 J/m2），并且具有快速的恢復(fù)能力和耐疲勞性能。這種雜化DN凝膠的增強(qiáng)增韌的機(jī)理主要來源于超分子結(jié)構(gòu)的破壞和快速的重構(gòu)過程。

參考文獻(xiàn)：Sun W X, Xue B, Li Y, Qin M, Wu J Y, Lu K, Wu J H, Cao Y*, Jiang Q* and Wang Wei*, Polymer-Supramolecular Polymer Double-Network Hydrogel, Adv Funct Mater, 2016, DOI: 10.1002/adfm.201603512.

3.用于自驅(qū)動(dòng)能源及人體運(yùn)動(dòng)傳感的環(huán)境友好型柔性水凝膠基器件

伴隨著傳統(tǒng)石化能源的日益枯竭，新能源與可再生能源的開發(fā)與利用得到廣泛重視。摩擦納米發(fā)電機(jī)作為新型的能源收集方式以其獨(dú)特的優(yōu)勢正獲得越來越多的關(guān)注。通過材料間的摩擦起電和靜電感應(yīng)效應(yīng)，摩擦納米發(fā)電機(jī)能夠?qū)h(huán)境中的機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能。相較于其它能量轉(zhuǎn)化技術(shù)，摩擦納米發(fā)電機(jī)具備結(jié)構(gòu)簡單、成本低廉、制備材料多樣性以及目標(biāo)能源廣泛等優(yōu)點(diǎn)。然而，隨著未來摩擦納米發(fā)電機(jī)在電子領(lǐng)域的進(jìn)一步普及，由此產(chǎn)生的電子廢棄物將不可避免地導(dǎo)致環(huán)境問題。因此，發(fā)展環(huán)境友好的摩擦納米發(fā)電機(jī)顯得尤為重要。

近期，香港理工大學(xué)郝建華教授研究組提出的新型水凝膠基摩擦納米發(fā)電機(jī)有望解決以上問題。該研究以物理交聯(lián)的聚乙烯醇水凝膠作為基材，結(jié)合該材料優(yōu)異的柔韌性、彈性、可降解性、生物相容性以及安全無毒等性能，使得所制得的水凝膠基摩擦納米發(fā)電機(jī)能同時(shí)具備柔性和環(huán)境友好性，因而在柔性電子和綠色電子等領(lǐng)域具有巨大的應(yīng)用潛力。該研究制備出的水凝膠基摩擦納米發(fā)電機(jī)能產(chǎn)生200V的開路電壓以及22.5μA 的短路電流。當(dāng)負(fù)載電阻為10MΩ時(shí)，標(biāo)準(zhǔn)器件的最大輸出功率可達(dá)到2mW。相應(yīng)的管狀器件具有優(yōu)異的柔韌性，可應(yīng)用于收集多種人體運(yùn)動(dòng)機(jī)械能，如彎曲，扭轉(zhuǎn)和伸縮運(yùn)動(dòng)機(jī)械能的收集。同時(shí)，通過分析輸出電壓信號的峰強(qiáng)度和峰間距，所制備的管狀器件還可作為自驅(qū)動(dòng)傳感器應(yīng)用于人體運(yùn)動(dòng)監(jiān)測。此外，該研究中使用的聚乙烯醇水凝膠具有可逆交聯(lián)結(jié)構(gòu)，因而使該摩擦納米發(fā)電機(jī)顯示出優(yōu)異的可循環(huán)功能。循環(huán)后的水凝膠基摩擦納米發(fā)電機(jī)的開路電壓可達(dá)到初始開路電壓的92%，從而既延長了該摩擦納米發(fā)電機(jī)的使用周期也相應(yīng)的減少了廢棄物的產(chǎn)生，進(jìn)一步提升了該器件的環(huán)境友好性能。本研究從環(huán)保角度出發(fā)，探索了發(fā)展柔性能量源及自驅(qū)動(dòng)運(yùn)動(dòng)傳感器的可行性，對未來摩擦納米發(fā)電機(jī)在相關(guān)領(lǐng)域的規(guī)?；瘧?yīng)用起到了積極的推動(dòng)作用。

參考文獻(xiàn)：Wei Xu, Longbiao Huang, Manchung Wong, Li Chen, Gongxun Bai, Jianhua Hao*, Environmentally Friendly Hydrogel‐Based Triboelectric Nanogenerators for Versatile Energy Harvesting and Self‐Powered Sensors,Advanced Energy Materials,2016, DOI: 10.1002/aenm.201601529

4. 具有三維復(fù)雜形變的多響應(yīng)各向異性水凝膠

中國科學(xué)院寧波材料技術(shù)與工程研究所陳濤研究員和張佳瑋副研究員報(bào)道了一種可以發(fā)生復(fù)雜三維形變的多響應(yīng)各向異性水凝膠。他們首先制備了聚(N-異丙基丙烯酰胺)/氧化石墨烯（PNIPAM/GO）水凝膠，然后用254 nm的紫外光還原凝膠中的GO，在這個(gè)還原過程中，凝膠表明覆蓋一層具有斜條圖案的遮板。經(jīng)過光還原，GO被部分還原成石墨烯，并形成圖案化的水凝膠片。這種圖案化的水凝膠片可以在近紅外（NIR）和加熱的情況下發(fā)生從二維到三維形狀的變化。如果，經(jīng)過進(jìn)一步聚合，引入聚甲基丙烯酸網(wǎng)絡(luò)在上述的圖案化水凝膠片中，得到的凝膠可以在多重刺激響應(yīng)下（NIR、溫度、pH、離子強(qiáng)度）發(fā)生三維到三維的形狀變化。另外，通過設(shè)計(jì)，這種多重刺激響應(yīng)的各向異性水凝膠還能做成器件。

參考文獻(xiàn)：Ma C X, Le X X, Tang X L, He J, Xiao P, Zheng J, Xiao H, Lu W, Zhang J W*, Huang Y J, Chen T*,A Multiresponsive Anisotropic Hydrogel with Macroscopic 3D Complex Deformations,Adv Funct Mater, 2016, DOI: 10.1002/adfm.201603448.

5.集導(dǎo)電、自黏附和自修復(fù)的仿生可植入生物電子水凝膠

西南交通大學(xué)材料學(xué)院的魯雄課題組報(bào)道了一種仿貽貝的導(dǎo)電、自黏附和自修復(fù)的韌性水凝膠，并將其用于傳感器模擬和可植入生物電子。這種水凝膠以聚多巴胺（PDA）部分還原并包覆的氧化石墨烯（pGO/PDA）為增強(qiáng)和導(dǎo)電組分，通過組成優(yōu)化pGO/PDA/PAM水凝膠具有良好的形變和韌性、導(dǎo)電性、自黏附、自修復(fù)性能和生物相容性。這種導(dǎo)電的自黏附的水凝膠可以檢測脈搏的跳動(dòng)，并且具有很好的穩(wěn)定性。另外，它還可以作為生物電子器件植入體內(nèi)研究活體組織行為。

參考文獻(xiàn)：Han Lu, Xiong Lu*, et. al., A Mussel-Inspired Conductive, Self-Adhesie, and Self-healable Tough Hydrogel as Cell Stimulators and Implantable Bioelectronics, Small, 2016, DOI: 10.1002/smll.201601916.

6.超韌聚電解質(zhì)復(fù)合物凝膠實(shí)現(xiàn)3D打印

浙江大學(xué)高分子科學(xué)與工程系吳子良教授及其合作者近期利用聚合物離子凝膠（即聚電解質(zhì)復(fù)合物形成的凝膠，簡稱PIC 凝膠）實(shí)現(xiàn)了高韌性凝膠的3D打印。他們的方法主要利用了PIC凝膠在鹽水和純水中區(qū)別非常大的物理特性。PIC凝膠在高濃度鹽水中形成高黏度的溶液，可以通過噴嘴擠出在水中，而在純水中經(jīng)過溶膠-凝膠轉(zhuǎn)變形成高韌性的凝膠。陰離子/陽離子聚合物的電荷比和聚合物在鹽水中的濃度影響著PIC凝膠的可打印性，只有在合適的條件下才能實(shí)現(xiàn)3D打印。他們開發(fā)的方法能打印多種復(fù)雜形狀的凝膠，并且打印出來的凝膠具有高強(qiáng)度、高韌性性質(zhì)，這種擠出的3D打印凝膠的方法可能會(huì)拓展和加強(qiáng)高強(qiáng)韌水凝膠的應(yīng)用。

參考文獻(xiàn)：Fengbo Zhu, Libo Cheng, Jun Yin,Ziliang Wu*, Jin Qian*, Jianzhong Fu, and Qiang Zheng.3D printing of ultra-tough polyion complex hydrogels.DOI：10.1021/acsami.6b09881，October 25, 2016

7.牛奶蛋白制備缺口不敏感的高拉伸水凝膠

最近，來自韓國首爾國立大學(xué)的Ki Tae Nam 和 Jeone-Yun Sun利用牛奶中的酪蛋白成功制備了高拉伸并且缺口不敏感的水凝膠。酪蛋白是一種含磷鈣的結(jié)合蛋白，對酸敏感，pH較低時(shí)會(huì)沉淀。酪蛋白是哺乳動(dòng)物包括母牛，羊和人奶中的主要蛋白質(zhì)，又稱干酪素、酪朊、乳酪素，在水溶液中會(huì)形成酪蛋白膠束。作者利用酪蛋白膠束的凝聚作用制備了酪蛋白/聚丙烯酰胺雜化水凝膠，研究發(fā)現(xiàn)該凝膠具有高拉伸性，可以拉伸到起始長度的35倍，并且具有缺口不敏感性，凝膠的撕裂能達(dá)到3500 J/m²，作者認(rèn)為能量耗散的機(jī)制是酪蛋白膠束間的摩擦以及酪蛋白膠束的塑性形變。

參考文獻(xiàn)：Jinwoo Ma, Jaehun Lee, Sang Sub Han, Kyu Hwan Oh, Ki Tae Nam*, and Jeong-Yun Sun* .Highly Stretchable and Notch-Insensitive Hydrogel Based on Polyacrylamide and Milk Protein.DOI: 10.1021/acsami.6b10912，October 17, 2016

8.高強(qiáng)度可形狀記憶的聚乙烯醇/單寧酸水凝膠

北京師范大學(xué)化學(xué)學(xué)院的汪輝亮教授課題組報(bào)道了一種新型的可形狀記憶的高強(qiáng)度水凝膠，這種水凝膠以聚乙烯醇（PVA）和單寧酸（TA）為主要成分，形成了純氫鍵交聯(lián)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。單寧酸，有稱鞣酸，是一種聚多酚化合物，含有大量酚羥基，在水果、葡萄酒等有它的身影。PVA/TA凝膠可以通過加熱混合接著冷卻就可以簡單便捷的制備，并且表現(xiàn)出強(qiáng)的機(jī)械性能（拉伸強(qiáng)度2.8 MPa、拉伸形變1100%）。PVA/TA凝膠中同時(shí)存在強(qiáng)的和弱的氫鍵相互作用，它還具有優(yōu)異的熱響應(yīng)形狀記憶性能，濕的或干態(tài)的凝膠都可以在60℃條件下幾分鐘處理而恢復(fù)原始形狀。

參考文獻(xiàn)：Ya-Nan Chen, Lufang Peng, Tianqi Liu, Yaxin Wang, Shengjie Shi, and Huiliang Wang*.Poly(vinyl alcohol)–Tannic Acid Hydrogels with Excellent Mechanical Properties and Shape Memory Behaviors.DOI: 10.1021/acsami.6b08374，September 20, 2016

9.電場驅(qū)動(dòng)的電活性韌性水凝膠

中國科學(xué)院寧波材料所付俊研究員課題組報(bào)道了電活性的高強(qiáng)度水凝膠，這種水凝膠以三嵌段共聚物膠束（F127DA）為交聯(lián)劑，成功制備了分別含有陽離子和陰子的高強(qiáng)度水凝膠，這兩種水凝膠都具有高機(jī)械性能（如陰離子凝膠表現(xiàn)出59 MPa的壓縮強(qiáng)度），并且這些帶電荷的高強(qiáng)度水凝膠可以在電場條件下發(fā)生驅(qū)動(dòng)。電場強(qiáng)度、電解質(zhì)濃度和離子單體含量都影響著這類凝膠的驅(qū)動(dòng)行為。這種電活性高強(qiáng)度凝膠可以在120s的時(shí)候發(fā)生87°的偏轉(zhuǎn)，并且這種彎曲是可重復(fù)、多次可逆的（彎曲角變化不大）。該研究表明強(qiáng)韌的多響應(yīng)性水凝膠可以在傳感器、驅(qū)動(dòng)器、開關(guān)和人工肌肉等領(lǐng)域有潛在的應(yīng)用前景。

參考文獻(xiàn)：Yufen Li, Yuanna Sun, Ying Xiao, Guorong Gao, Shuhui Liu, Jianfeng Zhang, and Jun Fu*.Electric Field Actuation of Tough Electroactive Hydrogels Cross-Linked by Functional Triblock Copolymer Micelles.DOI: 10.1021/acsami.6b08841, September 12, 2016

來源