近期水凝胶领域顶刊成果推荐

2022-04-18 14:32:54 作者：材料人来源：材料人分享至：

1、飞秒激光直写3D仿生响应型水凝胶微致动器

据中科院官网报道，中国科学院理化技术研究所仿生智能界面科学中心有机纳米光子学实验室研究员郑美玲团队在4D刺激响应型仿生水凝胶微致动器的制备及应用方面取得新进展。研究合成了刺激响应型光刻胶前驱体，并结合结构设计，采用飞秒激光直写技术制备出4D刺激响应型水凝胶微结构。微米级水凝胶致动器表现出快速的pH响应，还可通过pH响应来调控微颗粒的捕获和释放行为。飞秒激光直写技术是实现响应型水凝胶结构微型化的重要手段。该技术采用飞秒激光作为光源，激光束经物镜聚焦到光刻胶中，基于非线性光学效应，聚合反应仅发生在光子数密度极高的中心区域，因此具有高精度、真三维的特点。研究利用刺激响应型光刻胶，优化飞秒激光直写参数及激光加工路径，获得了响应行为可控的4D水凝胶微结构。研究改变激光加工参数来调节水凝胶微结构局部区域的交联密度，从而获得可控的pH响应行为，变形时间短至1.2秒，恢复时间为0.3秒。在此基础上，科研人员受捕蝇草捕获行为的启发，设计并加工了仿生不对称水凝胶微致动器，通过pH触发，实现和调节了其形状变化，捕获了单个或多个微颗粒，并可控地实现了微颗粒的同时释放或顺次释放。研究团队对仿生水凝胶微致动器的控制操纵将增加精确捕获和释放微小物体的潜力，使智能水凝胶微致动器的制备成为可能。这种微致动器在软体机器人、微传感器和微电子机械系统（MEMS）等研究领域具有潜在的应用价值。

2、基于电渗膨压的水凝胶基强快速致动器

水凝胶，因其柔软性、透明性和刺激响应性等优异性质，作为软致动器材料，是极具前景的。然而，传统刺激响应型水凝胶致动器，是采用渗透驱动的致动机制，致动力较弱，响应速度较慢。而且，能承受的压力也很有限，如果压力太大，传统刺激响应型水凝胶致动器，就会崩溃或碎掉。主要是因为传统刺激响应型水凝胶，低模量和渗透驱动的慢水扩散，使得弱和慢致动过程，仍然具有挑战性。韩国首尔大学Ho-Young Kim，Jeong-Yun Sun团队Hyeonuk Na等，利用膨压和电渗，实现水凝胶基强而快的致动器。选择性渗透膜限制了凝胶制造的膨压致动器，可以保持驱动凝胶膨胀的高渗透压；因此，这种致动器用1.16立方厘米水凝胶制成，可以承受较大应力[在96分钟（min）内0.73兆帕（MPa）]。电渗加速了水的传输，凝胶迅速溶胀，提高了启动速度（9min内0.79MPa）。该实验策略，使柔软水凝胶，能够在几分钟内打破壁垒brick，并快速构建水下结构。该项研究，将水凝胶包裹在相对坚硬但柔韧的半透膜中，显著增加了水凝胶的驱动应力，这限制了横向变形。这种效应类似于在生物细胞中看到的膨压。向水溶液中加入电解质，并施加电场也可以提高驱动速度，从而将驱动时间从数小时缩短到数分钟。该项研究以Hydrogel-based strong and fast actuators by electroosmotic turgor pressure为题，发表在Science上。

3、双网络导电聚合物水凝胶

南方科技大学材料科学与工程系郭传飞团队报道了一种由PEDOT:PSS和聚乙烯醇（PVA）组成的双网络导电聚合物水凝胶（PEDOT:PSS/PVA DN），该材料具有高电导率（~10 S cm?1）和优异的拉伸性（~150%）。研究者采用降低PVA的含量的策略，来显著提高前体水凝胶中PEDOT:PSS与PVA的相对质量比（约为1:1），然后使用酸处理来构建高导电聚合物网络，并通过去溶胀来浓缩固体组分（PEDOT:PSS和PVA），从而获得了高含量PEDOT:PSS（~5.5 wt.%）的双网络水凝胶。研究者将这种生物可粘附导电水凝胶粘附在肌肉上，在大鼠模型中进行稳定和长期的体内肌电（EMG）信号记录；粘附在坐骨神经上时，可在在低至125 mV的刺激电压下进行可靠的电刺激。研究者认为制备高导电性和高延展性双网络导电水凝胶的方法也可能扩展到其他材料系统，以推动下一代生物电子学的发展。研究成果以Highly conducting and stretchable double network hydrogel for soft bioelectronics为题发表于Adv. Mater.

4、形状记忆水凝胶的通用策略

葡萄牙阿威罗大学的一个研究团队报告了一种将非热响应水凝胶转化为具有形状记忆能力的热响应水凝胶系统的简便方法。作为概念验证，他们在热敏聚氨酯（CHTMA）甲基丙烯酸壳聚糖、明胶（GELMA）、海带素（LAMMA）或透明质酸水凝胶（HAMA）中嵌入聚氨酯网，提供了具有形状记忆能力的水凝胶复合材料。按照这个思路，研究人员开发出形状记忆水凝胶，获得了良好的形状固定率（50-90%）和良好的形状恢复率，其37度下几乎瞬间恢复至达到100%。细胞相容性测试表明，在所有形状记忆过程中，无论是水凝胶顶部细胞还是被水凝胶包裹的细胞都具有良好的生存能力。这种简单的方法开辟了一种广泛的可能性，设计出的水凝胶可用于多种生物和非生物用途。研究成果以Universal Strategy for Designing Shape Memory Hydrogels为题发表于ACS Materials Lett.。

5、利用类共价氢键的相互作用实现的通用水凝胶网络修复策略

浙江大学的曲绍兴团队报道了一种通过类共价氢键作用实现海藻糖网络修复的策略，以改善水凝胶的力学性能，同时使其能够耐受极端环境条件，并保持合成的简单性，这被证明对各种水凝胶都是有用的。海藻糖改性水凝胶的力学性能（包括强度、伸长性和断裂韧性）在较宽的温度范围内得到显著提高。在脱水后，改性水凝胶保持其超弹性和功能，而未改性的水凝胶崩解。这一策略为合成具有极强耐受性、高度可伸缩性和韧性的水凝胶提供了一种通用的方法，使其在各种条件下都具有潜在的应用前景。相关工作以题为“A versatile hydrogel network–repairing strategy achieved by the covalent-like hydrogen bond interaction”的研究性文章在Science Advances上发表。

6、宽温区无枝晶水系锌离子电池用键调节水凝胶电解质

据中科院官网报道，水系锌离子电池具有安全、成本低、环保、资源丰富且电化学特性优异等优点，被认为是有前景的储能器件。但该类电池常用的液体电解液具有析氢析氧等副反应，同时还有较差的高低温性能和泄露的危险。凝胶电解液是由水和聚合物基质组成的网络结构体系，既能抑制副反应的发生，也能防止泄露，是有发展前景的水系电解质。基于此，中国科学院合肥物质科学研究院固体物理研究所能源材料与器件研究部研究员胡林华团队和石家庄学院教授季登辉合作开发了一种机械性能优异、离子电导率高和具有宽操作温区（-20—60℃）的功能性水凝胶电解质。由该水凝胶制备的锌离子电池具有稳定的循环性能（循环超过3000 h）、优异的电化学性能（在5 A/g下循环10000圈，容量为185 mAh/g）和高可逆的锌嵌入/脱出（库伦效率达到99.5%），在-20—60℃的温度条件下，具有很好的稳定性和高的容量。此外，这种功能性水凝胶具有很好的拉伸、扭曲、压缩和吸附性能，使其具有制备柔性储能器件的潜力。以此水凝胶为基础制备的柔性软包电池具有很好的机械稳定性，在不同的弯曲角度下仍能保持稳定的电压和容量。这种多功能凝胶电解质为开发高性能可充电水系锌离子电池提供了一种策略。相关成果以“Bonding interaction regulation in hydrogel electrolyte enable dendrite-free aqueous zinc-ion batteries from ?20 to 60 °C”为题，发表在Chemical Engineering Journal 上。

7、超级可拉伸、快速自愈能力的离子水凝胶

北京纳米能源与系统研究所李舟研究员团队通过利用Li+的高水合能调节水凝胶材料在低温下的高分子链扩散能力和动态相互作用，制备了一种在超低温环境（-80℃）下具有稳定自愈合性能的多功能离子水凝胶（SSIH）。通过系统优化，该离子水凝胶可实现在受损后10分钟内的快速自愈合、愈合后的材料可承受超过7000%以上的大变形，11.76 S/cm的稳定电导率和长达到13个月的综合性能稳定性。特别是，即使在-80℃的极端低温环境下，这些实用性能也能很好地保持，这为目前水凝胶基的自愈材料在零摄氏度下由于水分和聚合物链段冻结而失效的问题提供了可行的解决方案。在这项工作中，李舟研究员团队通过仿生有髓轴突的结构和信号传输功能，展示了一种基于 SSIH 的人工神经纤维（SSANF），用于实现高保真和高通量的信息交互。将该人工神经纤维集成到多功能机器人时，SSANF展示了它在实时集成信号传递中的用途。克服了传统金属导线无法拉伸和易拉断的缺陷，SSANF在反复大变形下可保持稳定的传输性能，这使全柔性集成系统成为可能。基于该多功能离子水凝胶的仿生器件将使仿生智能机器人更接近模拟复杂的生物系统，为机器人在极端条件下完成无人任务开辟更广阔的应用场景。相关研究成果以题为：“Ultra-stretchable and fast self-healing ionic hydrogel in cryogenic environments for artificial nerve fiber”发表在最新一期Advanced Materials。

8、模量自适应润滑水凝胶材料

据中科院兰州化物所官网介绍，受鲶鱼肌肉硬化触发的表皮系统润滑转变行为启发，中国科学院兰州化学物理研究所固体润滑国家重点实验室周峰研究员团队，报道了一种新型模量自适应润滑水凝胶材料。该材料由微米级厚度的表面聚电解质亲水润滑层和具有热触发相变特征的水凝胶承载层组成。在低温条件下，材料处于柔软状态（模量：~0.3 MPa），滑动剪切会引起材料的严重弹性形变，摩擦对偶与材料表面接触充分，使得界面摩擦系数较大（μ~0.37）。在维持材料表层水化状态不变的条件下，对该材料进行加热致使承载层凝胶发生相分离进而变硬（模量：~120 MPa），可大幅度抑制滑动剪切过程中材料的变形，从而导致摩擦对偶与材料表面接触面积减小，摩擦系数显著降低（μ~0.027）。该研究对认识接触与摩擦、润滑行为的科学关系，发展高性能水润滑涂层，开发仿生智能润滑系统和软体机器人具有重要意义。该研究工作以“Modulus adaptive lubricating prototype inspired by instant muscle hardening mechanism of catfish skin” 为题发表在Nature Communications上。

9、基于超级吸水凝胶的太阳能蒸馏器

美国德克萨斯大学奥斯汀分校余桂华教授和鲁恒毅博士等人报道了一种去除含VOCs废水的太阳能水净化策略。超级吸水凝胶（super water-extracting gels, SWEG）是一种多功能太阳能蒸发器，可以将太阳能转化为热能，从VOC水溶液中提取水，并产生洁净的水蒸气。由高度水合的海藻酸盐组成的SWEGs具有超交联聚合物网络（hypercrosslinked polymeric networks, HPNs），且水分子穿透HPNs时会与藻酸盐聚合物链形成强氢键网络。SWEG可以抑制其饱和含水量，并在分子水平上将其中含的水完全管控，避免自由水的存在，从根本上不同于传统水凝胶。由于这种水-分子链氢键在热力学上比水-VOC分子相互作用更稳定，因此SWEG可以从VOC溶液中提取水，将VOC与蒸发前沿隔离，从而防止产生的水蒸气受到污染。基于SWEG，太阳能蒸馏能实现高VOCs去除率，其中对苯酚的去除率超过99.0%、对三氯乙烯的去除率为99.99%），并在1 sun（1 kW m-2）下达到1.4 kg m-2 h-1的水产量。与典型的基于膜的水净化不同，基于SWEG的太阳能蒸馏器无需真空、膜再生和电力供应。这些特征表明，SWEG的概念可以促进下一代太阳能驱动的水净化技术的发展，克服与VOCs造成的蒸汽污染相关的基本挑战。研究成果以题为“Super Water-Extracting Gels for Solar-Powered Volatile Organic Compounds Management in Hydrological Cycle”发布在Advanced Materials上。

10、在通用材料和医疗器械表面生长水凝胶润滑涂层的新方法

中国科学院兰州化学物理研究所固体润滑国家重点实验室周峰研究员课题组提出了一种在通用材料和医疗器械表面生长水凝胶润滑涂层的新方法，即基于黏附性功能层（SIL）的紫外引发-表面催化引发自由基聚合方法（UV-SCIRP）[SIL@ UV-SCIRP]。制备得到的水凝胶涂层厚度和化学组分高度可调，可在室温下快速在金属、聚合物、无机物、生物有机体等各种基底表面生长出水凝胶涂层。该涂层与基材具有良好的界面结合强度，可有效改变基材表面固有的润湿和水润滑性能。该方法可成功在各种型号医疗器械外表面可控生长水凝胶润滑涂层。摩擦测试表明，修饰了水凝胶润滑涂层之后，两种型号导尿管表面的摩擦系数均大幅度降低，并可承受300个循环的剪切测试。因此，该方法可以作为在表面/界面科学和工程领域一种前沿的通用修饰工具。研究成果以Universal Strategy for Growing Tenacious Hydrogel Coating from a Sticky Initiation Layer （SIL）为题发表于Advanced Materials。

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