浙江大學賈錚教授課題組 CRPS：受人體體表角質層結構啟發的低含水量聚電解質水凝膠
2023-12-19 來源：高分子科技
水凝膠通常含有大量的水（>80 wt%），高含水量容易導致較差的力學性能。此外，在空氣環境中，水凝膠的快速脫水會引起水凝膠的力學性能和特定功能的改變，這限制了水凝膠的實際應用。近期，浙江大學曲紹興教授與賈錚教授課題組受人類表皮低含水量和穩定性能的啟發，開發了一種新型低含水量聚電解質水凝膠（即L-水凝膠），該水凝膠由親/疏水網絡共聚獲得，含水量低于12 wt%。因此，L-水凝膠具有卓越的自修復能力（自修復效率接近100%），接近1MPa的強度和模量，高斷裂韌性約3390J/m2，以及對濕/干表面的強粘附力（約120–1300N/m）。，與人體表皮類似，L-水凝膠在空氣環境中具有長期穩定的含水量和性能，可實現基于L-水凝膠的納米摩擦發電機、離子皮膚、介電彈性體驅動器、電致發光器件等可在非水環境中長期使用的離電器件。
針對以上問題與挑戰，浙江大學工程力學系曲紹興教授與賈錚教授課題組受人體體表角質層結構的啟發研發了一種在空氣環境中具有穩定優異力學性能和電學性能的低含水量聚電解質水凝膠（即L-水凝膠），成果以《Low-water-content polyelectrolyte hydrogels inspired by human epidermal stratum corneum》為題發表在《Cell Reports Physical Science》上。L-水凝膠由1-乙基-3-甲基咪唑鎓（3-磺丙基）丙烯酸酯（ES）、丙烯酸（AAC）和丙烯酸甲氧基乙酯（MEA）等三種單體共聚而成。ES、AAC和MEA分別模擬角質層中天然吸濕因子（NMF）、蛋白質和脂質的作用。與常規高含水量（>80 wt%）水凝膠形成鮮明對比的是，L-水凝膠在空氣環境中的含水量低于12 wt%，與人類角質層的含水量接近。由于L-水凝膠中吸濕組分（ES）的存在，L-水凝膠可以在開放空氣環境中長時間保持含水量穩定，這避免了水分損失而導致的水凝膠性能惡化，從而保證了L-水凝膠在空氣環境中的力學/電學性能的穩定性。此外，低含水量策略使L-水凝膠具有優異的自修復能力（自修復效率約100%）、較高的強度（0.98 MPa）和模量（0.93 MPa）、與人類皮膚相當的優異斷裂韌性（3390 J/m2）以及對各種濕表面和干表面的強天然粘附力（約120–1300 N/m）。
圖1.受人類表皮角質層啟發的L-水凝膠的網絡設計和物理性質
圖2.低含水量的分子結構設計使得L-水凝膠具有優異的機械性能
圖3. 水凝膠的穩定性和耐寒性
圖4. L-水凝膠在柔性電子設備中的應用
浙江大學航空航天學院博士生申子航為論文的第一作者,浙江大學航空航天學院賈錚教授為論文的通訊作者，浙江大學曲紹興教授、應義斌教授、平建峰教授和南方科技大學楊燦輝教授為論文的共同作者。該研究得到了國家自然科學基金創新群體項目、國家自然科學基金面上項目、國家重點研發計劃課題和浙江省杰出青年基金項目的資助。
原文鏈接: https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2666386423005866
版權與免責聲明：中國聚合物網原創文章。刊物或媒體如需轉載，請聯系郵箱：info@polymer.cn，并請注明出處。
（責任編輯：xu）
相關新聞
- 四川大學華西口腔醫院李繼遙教授、楊佼佼副研究員 CEJ：具有雙向錨定功能的仿生濕粘牙齒創可貼促進牙本質再礦化 2025-05-12
- 復旦大學徐凡教授團隊 Nat. Comput. Sci. 封面：手性扭轉力學解碼沙漠植物生存策略 2025-05-10
- 芬蘭坦佩雷大學郭洪爽博士 Adv. Mater.: 探索集體行為 - 從智能材料到仿生設計 2025-05-04
- 湖北工大黃以萬/李學鋒 Small：非電中性兩性聚電解質水凝膠強韌化研究 2025-04-29
- 復旦聶志鴻/黃霞蕓 Soft Matter：基于兩親性聚電解質的Janus太陽能海水淡化策略 2025-02-26
- 重慶大學尹志剛教授團隊 The Innovation/CEJ：基于聚電解質介電薄膜的低功耗有機晶體管及其柔性存儲器 2025-02-25
- 寧波材料所趙文杰、嚴明龍 Small：污損抑制/阻抗與自我更新協同的可降解有機硅水凝膠涂層 2025-05-10
