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  高強度水凝膠是一類具有三維交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)的軟濕性材料，在柔性電子器件、生物組織替代、組織工程支架等領(lǐng)域有巨大的應(yīng)用潛力。賦予水凝膠材料自愈合（自修復(fù)）能力可以自動修復(fù)損傷，恢復(fù)其結(jié)構(gòu)和功能，從而提高凝膠材料使用的安全性、可靠性和耐久性，延長其使用壽命。高強度水凝膠的聚合網(wǎng)絡(luò)需要強度較高且穩(wěn)定的交聯(lián)，而實現(xiàn)水凝膠自愈合需要動態(tài)可逆的交聯(lián)，但是高強度和自愈合從本質(zhì)上來講是相互矛盾的，因此如何制備同時具有高機(jī)械強度和優(yōu)異自愈性能的水凝膠材料是水凝膠研究中的一項重要挑戰(zhàn)。

圖1 水凝膠的制備方法、形貌和形成機(jī)理

  北京林業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與技術(shù)學(xué)院楊俊副教授課題組報道了一種基于納米纖維素增強，并同時具有優(yōu)異粘附性和自愈合特征的復(fù)合水凝膠材料。通過在納米纖維素表面均勻涂布單寧酸并進(jìn)行自由基原位聚合，形成具有動態(tài)交聯(lián)結(jié)構(gòu)特征的高強度凝膠材料。該凝膠材料可直接黏附到人體的皮膚上，用來檢測手指彎曲等大形變以及脈搏跳動等微弱的生理信號。成功將組裝的凝膠傳感器應(yīng)用于投籃訓(xùn)練的姿勢矯正，通過人體運動實時監(jiān)測系統(tǒng)在智能手機(jī)客戶端對用戶健康狀況進(jìn)行分析和診斷。本工作為設(shè)計纖維素基的多功能水凝膠提供了新的思路，拓展了可穿戴柔性電子和醫(yī)療保健監(jiān)測的實際應(yīng)用。研究成果以“Mussel-Inspired Cellulose Nanocomposite Tough Hydrogels with Synergistic Self-Healing, Adhesive, and Strain-Sensitive Properties”為題在線發(fā)表在《Chemistry of Materials》(工程技術(shù)一區(qū)TOP期刊， IF: 9.89 )期刊上。

圖2 水凝膠作為應(yīng)變傳感器的應(yīng)用探索

  最近，該課題組又根據(jù)生物體組織力學(xué)特性，將單寧酸包覆的納米纖維素均勻分散到聚乙烯醇和硼酸體系中，成功地制備出一種具有應(yīng)變硬化特性的動態(tài)粘附性凝膠材料，這種具有仿生動態(tài)力學(xué)特征的凝膠材料與人體軟骨組織具有相似性，為后續(xù)探索其在生物醫(yī)學(xué)材料領(lǐng)域的應(yīng)用提供了新的途徑。該研究成果以“Mimicking Dynamic Adhesiveness and Strain Stiffening Behavior of Biological Tissues in Tough and Self-Healable Cellulose Nanocomposite Hydrogels”為題在線發(fā)表在《ACS Applied Materials & Interfaces》(工程技術(shù)一區(qū)TOP期刊， IF: 8.097)期刊上。

圖3 具有動態(tài)粘附特征的凝膠材料力學(xué)行為

  上述研究論文第一作者是2018級博士研究生邵長優(yōu)，楊俊副教授為該系列工作的獨立通訊作者，相關(guān)工作得到國家自然科學(xué)基金面上項目（21674013, 21404011）和中央高校基本業(yè)務(wù)費專項資金部分資助（2017ZY35）。

  論文鏈接：

  https://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/acs.chemmater.8b01172

  https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsami.8b21588