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文献专栏

高灵敏、高环境耐受性凝胶微纤维网(东华大学)

发表时间:2020-03-12 14:19
研究背景
武培怡教授课题组曾报道了一系列导电水凝胶和弹性体材料用以模拟生物皮肤和肌肉组织的力学、传感、和刺激响应特性(Adv. Mater. 2017, 29, 1700321; Nat. Commun. 2018,9, 1134);实现了对具有相同共聚单体结构的水凝胶相变行为从UCST(Utmost Critical Solution Temperature)到LCST(Lowest CriticalSolution Temperature)的调节(ACS Nano, 2018, 12, 12860-12868);模仿神经肌肉,实现行为致动与感知反馈的效果(Mater. Horiz. 2019, 6, 538-545);优化本征可拉伸导体材料的力学性能以及对液体分子的感知功能等(Nat. Commun. 2019, 10, 3429);采用高强度可拉伸的3D打印弹性水凝胶用于修复创伤性脑损伤(Adv. Funct. Mater. 2019, 1904450)等。值得注意的是,目前报道的导电水凝胶传感器主要基于薄膜形式,通过可检测的电信号变化来感知外界刺激,这在一定程度上阻碍了它们在更多样化场景中的应用。研究表明,将水凝胶微型化是提高其灵敏度的有效方法之一。水凝胶微纤维是微型水凝胶的典型例子。然而,目前制备兼具可纺性和机械强度良好的无涂层且保水的导电水凝胶微纤维仍然存在较大的挑战。
研究内容
本工作针对水凝胶微纤维在脱水与导电性、可纺性与纤维强度之间的不匹配性,提出了一种基于氧化还原活性铁-柠檬酸络合物调控的连续拉伸纺丝工艺,并利用丙烯酰胺/丙烯酸钠共聚物(P(AAm-co-AA))的水/甘油混合溶液制备出可拉伸、抗冻、保水性能好的智能导电P(AAm-co-AA)水凝胶微纤维网。相关工作Redox‐ActiveIron‐Citrate Complex Regulated Robust Coating‐Free Hydrogel Microfiber Net with High Environmental Tolerance and Sensitivity近期被 Advanced Functional Materials接收。
高灵敏、高环境耐受性凝胶微纤维网1.jpg
图1.拉伸纺丝法制备P(AAm-co-AA)水凝胶微纤维网的示意图及纤维的形貌结构和尺寸调节图。
干燥后的P(AAm-co-AA)/Fe(III)水凝胶微纤维呈圆柱形,断裂面致密均匀。通过改变注射器挤出速度和收集器转速,水凝胶微纤维的直径可以从30到120 μm精细调节。垂直于纤维轴的非对称二维SAXS图案和尖锐的方位角(FWHM≈6.5°)说明水凝胶纤维具有良好的链取向。
高灵敏、高环境耐受性凝胶微纤维网2.jpg
图2.水凝胶微纤维的力学性能和抗冻性。
水凝胶微纤维通过Fe(III)与羧酸基团的动态配位可以有效地耗散能量,因此具有高弹性和良好的循环拉伸性能。甘油的存在使纤维还具有良好的抗冻性,在-40 的环境中,依然具有较好的拉伸性能。
高灵敏、高环境耐受性凝胶微纤维网3.jpg
图3.环境湿度和UV对纤维的力学性能具有可调节性。
在不同湿度环境中,纤维具有不同含水量的同时表现出不同的力学性能。此外,UV可使Fe(III)被柠檬酸还原成Fe(II),因此UV对纤维的力学性能也具有明显的影响。
高灵敏、高环境耐受性凝胶微纤维网4.jpg
图4. 水凝胶微纤维对湿度和紫外光的刺激响应性以及在应变传感方面的应用。

与许多其他含离子的水凝胶相似,P(AAm-co-PAA)/Fe(III)水凝胶微纤维具有良好的导电性。水凝胶微纤维网对环境湿度和紫外光具有灵敏的刺激响应,同时还可以应用于应变传感器。


全文总结
本工作基于氧化还原活性铁-柠檬酸络合物调控的连续拉伸纺丝工艺制备出抗冻、无涂层且保水的弹性水凝胶微纤维网。此外,水凝胶微纤维的力学性能受环境湿度和紫外光调节,这使水凝胶微纤维对外界环境刺激具有智能响应。该氧化还原化学调控的拉伸纺丝方法可潜在地扩展到制备具有更先进的传感和驱动应用的智能水凝胶微纤维。
该课题得到了国家自然科学基金等项目的资助与支持。东华大学化学化工学院硕士生鞠敏为文章第一作者,通讯作者为孙胜童研究员武培怡教授

论文链接:

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/adfm.201910387


来源:高分子科学前沿

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