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南京林業大學陳楚楚 Green Chem.:受螃蟹蛻殼啟發的超薄、強韌、透明水凝膠
2025-02-09  來源:高分子科技

  自然界中,生物體通過不斷進化,建立了有序且堅固的組織結構,以抵御環境危害。蟹殼由于獨特的層狀結構,以及甲殼素、蛋白質和礦物質(碳酸鈣)等組分間的協同作用而具有較好的機械性能。一個有意思的自然現象是,螃蟹會經歷多次蛻殼過程:在蛻殼的早期,CaCO3(主要是結晶方解石和文石)被吸收到體液中,轉化為生物來源的ACC(無定形碳酸鈣),并與甲殼素、蛋白相互作用,形成柔軟且強韌的外殼,這與蛻殼后我們常見的堅硬蟹殼有明顯的不同。


  近期,南京林業大學陳楚楚課題組受螃蟹蛻殼的啟發,提出了一種雙重仿生策略,通過構建具有層狀結構的三維甲殼素微納米纖維(ChMNF)網絡,引入納米分離礦物(無定形碳酸鈣,ACC)-丙烯酸聚合物(PAA)無定形無機雜化基質,開發了一種集多功能一體的ChMNF-PAA-ACC(CPA)水凝膠。該水凝膠同時具備高強度(~28.6 MPa)、高透光率(~88.1%)、低霧度(~1.86%)、良好的溶脹性能、固有的熒光性和導電性等優勢;谶@些優點,組裝的CPA水凝膠基傳感器可以檢測多種外部刺激(如應變、壓力和溫度),在柔性傳感等應用中顯示出良好的潛力。


圖1.CPA水凝膠仿生制備


  該研究從天然蟹殼中提取甲殼素微納米纖維(ChMNF),制備出仿蟹殼骨架的層狀ChMNF網絡,再與聚丙烯酸(PAA)復合,形成ChMNF-PAA復合材料。最后,將合成的ACC引入ChMNF-PAA模板中,制備出了蛻殼仿生的ChMNF-PAA-ACC水凝膠。


2.CPA水凝膠微觀結構


力學性能、光學性能、導電性能、溶脹性能


  由于構建了三維甲殼素微納米纖維網絡結構,并結合了穩定良好的ACC和PAA的無定形無機雜化基質,CPA-16水凝膠拉伸強度高達28.6 MPa,且經過多次干-濕循環后,仍可以恢復到原來的狀態,幾乎沒有任何機械強度的損失。除此之外,CPA水凝膠的透光率高達88.1%,霧度低至1.86%,且具備一定的導電性能,可應用于柔性可穿戴電子設備中。


3.CPA水凝膠力學性能、光學性能、導電性能、溶脹性能


CPA水凝膠基柔性傳感


  基于柔、軟、薄的特性,組裝的CPA水凝膠基傳感器可以監測人體各種微細活動。例如,CPA基傳感器對皮膚變形表現出良好的適應性,可以監測微小的人體活動以及環境變化;其響應和恢復時間快至0.08 s,在多功能柔性傳感材料中顯示出良好的應用前景。


4.CPA水凝膠基柔性傳感


熒光特性


  在這項工作中,ChMNF、CP和CPA樣品在365 nm紫外光下時都表現出固有的熒光特性。其中,ChMNF發出藍光,CP水凝膠表現出明亮的藍綠色發射,而CPA則表現出橙色發射。該特性拓寬了CPA水凝膠在防偽、智能檢測、生物傳感器等方面的應用。


5.CPA水凝膠熒光特性


  該工作以題為“Synthesis of robust yet flexible and transparent CPA hydrogels inspired by molting crab shells”的論文發表在期刊《Green Chemistry》。論文通訊作者為南京林業大學材料科學與工程學院陳楚楚副教授,該研究受到國家自然科學基金項目等的資助。

  論文信息:

  Yamei Zao, Muqiu You, Jieru Ma, Xiaoyu Du, Yongcan Jin, Dagang Li, Zhaoyang Xu, Chuchu Chen*. Synthesis of robust yet flexible and transparent CPA hydrogels inspired by molting crab shells, Green Chem, 2025. DOI: 10.1039/D4GC05711B

  https://doi.org/10.1039/D4GC05711B

  下載:Synthesis of robust yet flexible and transparent CPA hydrogels inspired by molting crab shells

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(責任編輯:xu)
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