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河工大胡寧/重大寧慧銘 Mater. Horiz.:高強高韌的各向異性水凝膠
2024-03-03  來源:高分子科技

  軟材料如水凝膠可廣泛應用于組織工程、軟體機器人、可穿戴電子等領域。然而大多數傳統水凝膠往往結構均勻無序且交聯松散,導致力學性能差,嚴重阻礙了其實際應用。近年來,通過定向冷凍、磁場或電場、自組裝和機械拉伸制備了各種具有增強力學性能的各向異性水凝膠,但操作復雜且功能單一,且大多水凝膠的力學性能仍然無法與各向異性的天然生物組織如韌帶、肌腱等相媲美。這些生物組織由于其高度有序的分級微觀結構,表現出優異的各向異性力學性能。因此,使用通用而簡單的方法制備具有各向異性結構的強韌水凝膠仍然是一個挑戰。



  受韌帶、肌腱等各向異性生物組織結構啟發,近日,河北工業大學胡寧教授和重慶大學寧慧銘副教授團隊Materials Horizons上發表了題為“Strong, tough and anisotropic bioinspired hydrogels ”的研究論文。探索了一種新的簡單方法,即一種新型的溶劑交換輔助濕拉伸策略,開發了具有優異力學性能甚至優于生物組織的各向異性纖維基多功能水凝膠。


  如圖1所示,定向收集濕法紡絲制備的連續均勻的PVA纖維;利用PVA的水溶性和吸濕性,將PVA纖維的聚集體浸泡在PVA/甘油水溶液中溶脹;經凍融循環,獲得了一種具有優異的力學性能可調、透明度、良好生物相容性和長期環境穩定性的各向異性纖維基水凝膠。所制備的水凝膠拉伸強度為12.8 ±0.7 MPa,斷裂功為134.47 ± 9.29 MJ m3,可拉伸性高達1719 ± 77% 


設計策略


  各向異性纖維基水凝膠的結構如圖2所示。利用偏振光顯微鏡分析了其各向異性結構和雙折射性。此外,SEM顯示出完全不同的形貌,進一步證明其各向異性結構。 


水凝膠形貌


  同時,可以通過改變PVA比例、浸漬溶液、預拉伸比例和寬度來優化PVA水凝膠的力學性能(圖3)。有意思的是,雖然單獨加入pva或甘油均可以提升其強度,但同時引入pva和甘油,水凝膠斷裂強度提升最大,即pva-甘油對水凝膠力學性能的影響比單一的pva或者甘油大。此外,水凝膠在拉伸、折疊、扭曲、打結、穿刺和編織下表現出了高強度和柔性。利用寬度為8mm、厚度為0.8mm的水凝膠輕松承受6kg的重量(超過水凝膠的10000倍)。制備的各向異性纖維基水凝膠還可以在不破裂的情況下編織成復雜的圖案和結構,減少了其在不同應用中的局限性。 


力學性能


  如圖4,在微觀尺度上,甘油的加入導致與PVA鏈形成氫鍵相互作用。這些氫鍵有效地交聯PVA鏈并促進其結合,從而使PVA纖維具有更高的強度、模量和韌性;同時,氫鍵(由甘油引入)可以促進動態斷裂和再交聯,使斷裂的鍵重新連接,這也有助于改善PVA纖維的機械性能;此外,甘油能夠提高水凝膠的有效交聯密度,氫鍵區可用于實現裂紋擴展不敏感性。在宏觀尺度上,PVA基質作為粘合劑,可將PVA纖維連接在一起,提升其斷裂應力;PVA纖維增強了PVA基體結構,也在一定程度上提高了其力學性能。 


增強機理


  如圖5所示,所制備的水凝膠表現出較強的環境適應性:即優異的抗溶脹性能、保水能力、防凍性能及生物相容性。 


環境穩定性和生物相容性


  如圖6所示,作為應變傳感器,表現出優異的傳感性能,在0-1000%的應變范圍內,靈敏度(GF)為3.13,相應的線性度(R2)為0.999,高于大多數報道的水凝膠應變傳感器。此外,響應時間短,應變檢測范圍廣,且具有良好的動態穩定性。 


電學性能


  該研究報道了一種溶劑交換輔助濕拉伸的協同策略,以開發一種受各向異性生物組織啟發的強韌、高度各向異性的纖維基水凝膠。該策略突破了現有干拉伸方法在調整聚合物構象和結晶用于提高強度和韌性方面的局限性。溶劑交換輔助濕拉伸的設計概念可以應用于各種聚合物,因此目前的策略具有普適性。未來,將進一步研究纖維基水凝膠優異力學性能的機理,并將模擬人體肌肉的層次結構擴展到不同的尺度。作為概念驗證,證明了基于纖維的水凝膠可以用作生物傳感器,這得益于其優異的靈活性、應變傳感能力、長期穩定性和生物相容性。它顯示出良好的線性,在1000%的寬范圍內,應變系數為3.13。這些優點使得基于各向異性纖維的水凝膠在廣泛的應用中極具吸引力,包括生物領域,如人工軟組織材料和用于人體運動監測的生物傳感器。


  西南大學青年教師王蜀和重慶大學碩士研究生雷玲為論文的共同一作,河北工業大學胡寧教授、重慶大學寧慧銘副教授、湖南大學劉杰教授為論文的共同通訊作者。東華大學武培儀教授和西湖大學姜漢卿教授為本研究提供了重要幫助。該研究得到國家自然科學基金、重慶市自然科學基金等課題和項目的資助。


  原文鏈接:https://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2024/mh/d3mh02032k


通訊作者簡介


胡寧,河北工業大學副校長,教授,博士生導師。獲得過國家海外高層次人才、杰青(B)、國務院政府特貼專家等榮譽。1981-1991年在重慶大學完成本科-博士教育,之后在南京航空航天大學、日本東北大學、清華大學、約翰斯·霍普金斯大學、日本千葉大學等從事科研和教學工作,歷任博士后-助理教授-副教授-教授等,2013年回國時任日本千葉大學教授、機械系主任和人工系統科學專攻長;2013-2019年在重慶大學工作,創建了航空航天學院并任首任院長;2019年調河北工業大學工作。他長期從事計算固體力學、功能·結構納米復合材料、結構和材料的無損檢測和實時監控技術等研究,取得了不少創新性成果。出版英文書籍3部,申請和獲批中日專利20余項,發表期刊論文600余篇,論文被引用20000余次。他長期從事材料力學、復合材料力學、計算力學等課程的教學工作,指導了大量博士和碩士研究生�,F任教育部航空航天教學指導委員會委員、中國復合材料學會理事、中國力學學會理事、河北省力學學會理事長、重慶市通用航空學會常務副理事長、日本復合材料學會評議員、十余份國內外期刊的副主編/編委等。


寧慧銘,重慶大學副教授,主要從事復合材料力學,結構和功能復合材料設計制備評價等領域的研究工作。目前已在復合材料領域的一流國際期刊上發表SCI 論文70余篇,申請發明專利10余項,論文他引2000多次。近年來主持和參與了十三五裝備預研領域基金,國家自然科學基金以及“兩機”專項基礎研究項目等十余項重要科研項目。



王蜀,西南大學青年教師,主要從事柔性傳感材料及器件、柔性防護結構復合材料、結構功能一體化智能復合材料等領域的研究工作。目前已在Mater. Horiz., Compos.B:Eng.等國際期刊發表論文20余篇,論文他引400余次。近年來主持和參與了國家自然科學基金青年基金,十三五裝備預研領域基金等科研項目。

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(責任編輯:xu)
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